INSTALATII DE CONDITIONARE A AERULUI

INSTALATII DE CONDITIONARE A AERULUI

1. Introducere

O instalatie de conditionare (climatizare) a aerului are sarcina de a mentine aerul din spatiile interioare (in care se gasesc oameni sau au loc procese tehnologice) la anumiti parametri (temperatura, umiditate, viteza de circulatie etc.), indiferent de conditiile exterioare.

Termenul 'conditionarea aerului' a fost utilizat pentru prima data in legatura cu practica umidificarii aerului in fabricile de textile pentru a controla efectele statice ale electricitatii si a evita astfel ruperea firelor (Jennings, 1978).

Climatizarea poate fi de confort, utilizata in cladiri de locuit, mijloace de transport etc. sau industriala, aceasta avand aplicatii in industrie (chimica, alimentara etc.).

Sistemele de conditionare a aerului se impart in sisteme centrale si sisteme cu unitati independente.

. Sistemele centrale de conditionare a aerului (fig. 4.11) sunt folosite in principal in cladirile mari. Unitatea principala a acestor sisteme este amplasata intr-o camera speciala si, de regula, la distanta mare de spatiul care urmeaza a fi conditionat. Unitatea centrala este conectata printr-o retea de conducte cu spatiile supuse conditionarii. Aerul din atmosfera este aspirat de unitatea centrala de conditionare si amestecat cu o anumita cantitate de aer recirculat. Amestecul trece apoi prin filtre pentru a indeparta praful sau alte particule solide si este conditionat in functie de modul de operare al sistemului (racire sau incalzire). Atunci cand este necesara scaderea temperaturii unei incinte, aerul este racit si, daca este cazul, deumidificat. Atunci cand este necesara ridicarea temperaturii in interiorul incintei, aerul este preincalzit, umidificat prin adaugarea de vapori de apa si, in final, incalzit pana la temperatura necesara. Aerul este apoi transportat folosind ventilatoare (la viteze cuprinse intre 5 si 15 m/s), cel mai frecvent, la nivelul superior al incintei de unde este difuzat si recirculat in interiorul incintei. In cazul in care este necesar ca diferite spatii ale unei incinte sa fie conditionate separat se folosesc mai multe sisteme independente de conducte. In acest mod, aerul distribuit in fiecare spatiu al incintei poate fi controlat independent pentru a satisface cerintele impuse de confort.

. Sistemele independente de conditionare a aerului pot fi amplasate in orice spatiu fara a mai fi nevoie de o unitate centrala. Sunt in principal folosite in cladirile in care ocupantii doresc sa foloseasca sistemele de conditionare numai in anumite spatii sau atunci cand costul instalarii unui sistem central de conditionare este nejustificat. Exista doua tipuri de sisteme: monobloc si unitati separate. Unitatile monobloc sunt amplasate in aceeasi incinta, in peretele exterior al incintei sau la fereastra. Sistemele cu unitatile separate (split) nu necesita schimbari majore in constructia incintei. O parte a unitatii este amplasata in afara incintei (compresor, ventilator - 3, fig. 4.12) in timp ce a doua parte, care contine vaporizatorul si partile mecanice usoare, este amplasata in interiorul incintei. Cele doua unitati sunt conectate prin doua conducte de diametru mic care transporta agentul frigorific. Nivelul de zgomot in timpul functionarii este foarte scazut deoarece partile mecanice sunt situate in exteriorul incintei. La unele solutii constructive se folosesc mai multe unitati interioare (1, 2, 3, fig. 4.13), conectate la o singura unitate exterioara (5).

Pentru spatii de locuit, elementele principale care determina starea de confort termic sunt:

temperatura;

umiditatea;

viteza aerului;

calitatea aerului.

Exista si alte elemente care pot fi controlate, cum ar fi nivelul de zgomot, lumina, culorile; cu cat este mai mare numarul parametrilor care se pot controla, cu atat conditiile de confort vor fi mai bune.

Fig. 4.11 - Sistem centralizat de conditionare a aerului (functionare pe timp de iarna)

1-aspiratie aer proaspat; 2-preincalzire; 3-amestecare cu aer recirculat; 4-deumidificare; 5-incalzire; 6-umidificare; 7-ventilator; 8-filtrare; 9, 10-conducte insuflare aer; 11-conducte preluare aer; 12-conducta evacuare aer; 13-gura de evacuare aer.

Intervalul de temperatura care asigura confort este intre 20 si 24°C, in functie de activitatea depusa in acea camera. Cu cat efortul depus de ocupanti este mai mare, cu atat va scade valoarea temperaturii de confort (de exemplu: pentru starea de repaus temperatura de confort este in jurul valorii de 22-23°C, pentru starea de activitate usoara, munca de birou, valoarea acesteia este de aproximativ 21°C, pentru munca fizica grea temperatura de confort este de circa 17-18°C, iar in cazurile de munca fizica foarte grea valoarea poate fi chiar de 10°C).

Valoarea ideala a umiditatii relative este cuprinsa intre 40% si 60%; sub aceste valori (40%) se constata uscarea gurii si a pielii, iar la valori peste 60% apar senzatii de greutate, dureri de cap si piele lipicioasa. Este de evidentiat ca deja la limitele minime sau maxime, adica (40% si respectiv 60%), apar stari de disconfort.

Viteza aerului refulat depinde de tipul echipamentelor de refulare si aspiratie ale aerului si mai ales de pozitionarea lor. Se considera normal un flux de aer care atinge corpul uman cu o viteza de 0,5 - 1 m/s in timpul mersului si de 2-5 m/s in timpul alergarii. In cazul in care fluxul de aer soseste din lateral, viteza acestuia trebuie sa fie cuprinsa intre 0,1 si 0,15 m/s. Pentru a resimti senzatia de confort, valorile vitezei curentilor de aer din incapere trebuie sa fie de 0,1 - 0,2 m/s, nu mai mari de 0,4 m/s. Pentru valori sub 0,1 m/s se va crea senzatia de 'aer statut'.

Pe diagrama psihrometrica din fig. 4.14, parametrii aerului pentru asigurarea confortului termic pe timp de iarna corespund suprafetei (A-B-C-D), iar pentru vara se gasesc in interiorul suprafetei (E-F-G-H) s4t.

In industria alimentara, conditionarea aerului se utilizeaza in s26t:

1. Fabricile de bere:

Germinarea orzului - aer conditionat la parametrii: t = 10.13°C, j =70.90%, cu un raport intre aerul proaspat si cel recirculat de 1/2.2/3;

Uscarea maltului;

Fermentarea primara;

Imbutelierea;

Depozitarea.

2. Fabricile de paine:

• Depozitul de faina - aer conditionat;
• Silozul si sectia de cernere: t=18°C; j
• Camerele de fermentare a aluatului: t=30.32°C; j
• Sectiile pentru taierea si dospirea aluatului: t=35°C; j
• Depozitarea in vederea cresterii duratei de prospetime: t=18.20°C, j

3.Industrializarea carnii:

• Taierea animalelor, matarie, fierbere (spatii cu degajari mari de vapori);

Topirea grasimilor, fierberea cleiului (spatii cu degajari mari de caldura);

• Parlirea porcilor (degajari de praf si gaze nocive);
• Transare: t = 8.10°C; j = 40.50% si viteza aerului sub 0,3m/s.

4. Industrializarea laptelui:

• Colectarea si pasteurizarea laptelui;
• Fabricarea branzeturilor fermentate;
• Depozitarea cascavalului.

5. Industria tutunului:

• Depozitul de tutun si materii prime;
• Sectia de faramitare;
• Depozitul de tutun faramitat;
• Reglarea fermentarii in foile de tutun pentru distrugerea moliei de tutun;
• Sectia de tigarete;
• Sectia de ambalat: t>24°C; j =70.75%, debitul de aer proaspat introdus este de 50m³/h pentru fiecare muncitor, dar nu mai putin de 10% din debitul total de aer circulat si se impune filtrarea.

6. Magazinele alimentare:

• Salile de vanzare;
• Vitrine pentru prezentarea si comercializarea produselor.

2. Constructia si functionarea unui sistem de conditionare a aerului s26t

In fig. 4.15 este prezentata schema de principiu a unui sistem de conditionare a aerului.

Sistemul este alimentat cu aer proaspat, din exterior, prin racordul (1) si cu o anumita cantitate de aer recirculat din incapere, prin racordul (10); pe timp de iarna, aerul proaspat din exterior este incalzit in preincalzitorul (2). Camera de umidificare (4) este prevazuta cu duze prin care se pulverizeaza apa; aerul trece apoi prin separatorul de picaturi (5), care are rolul de a retine apa sub forma de picaturi din aer. Bateria (6) are rolul de a incalzi aerul iarna si de a-l raci vara. Ventilatorul (7) asigura circulatia aerului prin instalatia de conditionare.

Fig. 4.15 - Schema de principiu a unei sistem central de conditionare a aerului

1-racord aspiratie aer proaspat; 2-filtru; 3-preincalzitor; 4-camera de umidificare; 5-separator de picaturi; 6-baterie de incalzire/racire; 7-ventilator; 8-colector de lichid; 9-pompa; 10-racord pentru aer recirculat.

In functie de conditiile existente in spatiul care trebuie conditionat, se utilizeaza diverse scheme de recirculare a aerului din incapere. Astfel, varianta din fig. 4.16a se utilizeaza in cazul spatiilor cu degajari de substante nocive, caz in care nu se aplica recircularea aerului din incapere, acesta fiind evacuat in exterior (circuitul 5-6).

In cazul din fig. 4.16b aerul preluat din incapere trece printr-un schimbator de caldura (regenerator, Rg), caldura continuta de acest aer fiind utilizata pentru preincalzirea aerului preluat din exterior (circuitul 6-7-8, pentru aerul preluat din incapere, respectiv 1-2, pentru aerul proaspat).

La schema din fig. 4.15c o parte din aerul preluat din incapere este recirculat, fiind amestecat cu aerul proaspat, dupa incalzirea acestuia din urma in preincalzitorul (Pr) - circuitul 6-7-3.

Varianta din fig. 4.16d amesteca o parte din aerul recirculat din incapere cu aerul proaspat, dupa care amestecul de aer proaspat si recirculat este preincalzit.

3. Procese in instalatia de conditionare a aerului s25, 26t

Procesele de amestecare a doua cantitati de aer cu parametri diferiti si de incalzire/racire sunt identice cu cele prezentate anterior (vezi 4.1.3.1, 4.1.3.2, 4.1.3.3).

Modul de desfasurare si reprezentarea procesului de amestecare a aerului cu apa pulverizata in camera de umidificare depind de temperatura apei, fiind posibile urmatoarele cazuri (fig. 4.17):

a) Temperatura apei pulverizate este mai mica decat temperatura punctului de roua (t₁ < t_r)

In acest caz, procesul de amestecare se desfasoara pe linia (1); continutul de umiditate al aerului scade (pentru oricare punct de pe linia 1, x < x_O). Acest lucru se explica prin faptul ca apa pulverizata raceste aerul (pe oricare punct al liniei 1 temperatura este mai mica decat t_O = t₆) , ceea ce face ca surplusul de apa din aer sa se condenseze.

b) Temperatura apei este egala cu temperatura punctului de roua t_r

Acest proces se desfasoara pe linia (2), care uneste punctele (O) si (R), iar din diagrama se observa ca nu apare nici o modificare a continutului de umiditate (dreapta 2 este de fapt dreapta de continut constant de umiditate). Apa pulverizata asigura doar racirea aerului (pe linia 2, temperatura este mai mica decat cea corespunzatoare punctului O).

c) Temperatura apei se afla intre temperatura punctului de roua si temperatura termometrului umed (t_r < t₃ < t_u)

Procesul se desfasoara pe linia (3), iar continutul de umiditate al aerului creste; caldura din aer este utilizata pentru vaporizarea apei pulverizate, dar si pentru incalzirea acesteia, in timp ce temperatura aerului scade (pentru oricare punct de pe linia 3 ce reprezinta starea finala a amestecului aer-apa, temperatura este mai mica decat t_O).

d) Temperatura apei este egala cu temperatura termometrului umed t_u

Acest proces are loc pe linia (4), de entalpie constanta; temperatura aerului scade, iar continutul sau de umiditate creste. Caldura aerului este folosita pentru vaporizarea apei si se reintoarce in aerul umed odata cu vaporii formati. In majoritatea cazurilor pentru calculul instalatiilor de conditionare a aerului se considera ca apa pulverizata are temperatura termometrului umed.

e) Temperatura apei este mai mare decat temperatura termometrului umed, dar mai mica decat temperatura aerului (t_u < t₅ < t₆ = t_O).

In acest caz procesul se desfasoara pe linia (5) si este insotit de micsorarea temperaturii aerului si de cresterea continutului de umiditate; entalpia amestecului creste (la entalpia aerului umed se adauga entalpia apei pulverizate).

f)Temperatura apei pulverizate este egala cu temperatura aerului t₆

Procesul se desfasoara pe linia (6), fiind insotit de cresterea continutului de umiditate al aerului si a entalpiei.

g) Temperatura apei pulverizate este mai mare decat cea a aerului (t₇ > t₆)

Procesul de amestecare a aerului umed cu apa se desfasoara pe linia (7) si este insotit de cresterea temperaturii, a continutului de umiditate si a entalpiei. In practica se foloseste injectarea de abur pentru cresterea temperaturii aerului.

3.1. Functionarea instalatiei de conditionare pe timp de iarna

La functionarea pe timp de iarna aerul preluat din exterior (avand parametrii punctului (E - fig. 4.18), este preincalzit pana cand atinge parametrii punctului (C).

Fluxul de caldura necesar preincazirii este dat de relatia:

in care este debitul de aer proaspat skg/st, iar i_C si i_E sunt entalpiile respective skJ/kgt.

Aerul proaspat, preincalzit, avand parametrii punctului (C), este amestecat cu aer recirculat din incapere, avand parametrii punctului (A), rezultand aer umed cu parametrii punctului (M).

Notand cu debitul de aer recirculat si cu raportul de recirculare, parametrii aerului in punctul M vor fi:

Procesul (M-D) reprezinta umidificarea adiabatica a aerului, cu apa pulverizata in camera de umidificare, avand temperatura termometrului umed; cantitatea de apa evaporata in camera de umidificare si preluata de catre aer este:

Cantitatea de apa evaporata reprezinta 1.2% din debitul de apa pulverizat; rezulta debitul de apa pulverizat ca fiind:

Incalzirea aerului umidificat are loc prin trecerea acestuia peste bateria de incalzire (procesul D-B); sarcina termica a bateriei de incalzire este:

Pentru determinarea parametrilor punctului (B) se cunosc temperatura aerului insuflat, precum si sarcina termica si de umiditate (data de degajarile de umiditate din incapere). Se determina raportul de termoumiditate:

_,

iar prin punctul (A) se traseaza o paralela cu dreapta corespunzatoare raportului de termoumiditate calculat pana ce aceasta intersecteaza izoterma t_B = const.

In practica, pentru trasarea diagramei de functionare a instalatiei de conditionare se pleaca de la parametrii punctului (A) si temperatura t_B (data prin standarde); in functie de pierderile de caldura si degajarile de umiditate din incapere se calculeaza raportul de termoumiditate si se stabileste pozitia punctului (B). Debitul necesar de aer rezulta din relatiile:

sau ,

acesta fiind format din aerul proaspat si aerul recirculat .

Punctul (D) se va gasi la intersectia izentalpei trasate prin (M) cu verticala coborata din (B).

3.2. Functionarea instalatiei de conditionare pe timp de vara

Procesele care au loc in instalatia de conditionare a aerului pe timp de vara sunt prezentate in fig. 4.19. Punctul (A) reprezinta parametrii aerului recirculat din incapere, iar punctul (E) corespunde parametrilor aerului exterior.

Punctul (B) de pe diagrama (care reprezinta parametrii aerului insuflat de catre instalatie) se determina ca si in cazul anterior, cunoscand temperatura (mai mica cu pana la 7⁰C decat temperatura incaperii) si calculand raportul de termoumiditate (din sarcinile termica si de umiditate).

Temperatura t_p reprezinta temperatura bateriei de racire; punctul (M) reprezinta parametrii de stare ai amestecului dintre aerul proaspat si cel recirculat. Aerul cu starea (M) trece peste bateria de racire si ajunge in starea (D), caracterizata prin j_D = 90.95% si x_D = x_B.

4. Determinarea umiditatii relative cu psihrometrul Asman s26t

Una din cele mai simple metode de masurare a umiditatii relative utilizeaza psihrometrul cu ventilator de tip Assmann (fig. 4.20), care consta dintr-un termometru uscat (1) si un termometru umed (2), ultimul fiind infasurat intr-o panza higroscopica imbibata cu apa. Capetele termometrelor sunt scaldate de curentul de aer umed aspirat de catre un mic ventilator (4), actionat cu resort metalic sau electric.

Datorita evaporarii apei, temperatura t' indicata de termometrul umed (2) este mai mica decat temperatura t indicata de catre termometrul uscat (1). Dupa pornirea ventilatorului, temperatura termometrului umed (care initial era egala cu cea a termometrului uscat) incepe sa scada, dupa un anumit timp stabilizandu-se la o valoare constanta.

In regim stationar (cand temperatura termometrului umed nu se mai modifica) se stabileste un echilibru intre cantitatea de caldura Q_c pierduta (cedata) de rezervorul umed prin evaporarea apei si cantitatea de caldura Q_a primita (absorbita) de acest rezervor de la mediul ambiant care este mai cald.

Cantitatea de caldura Q_c pierduta prin evaporarea apei de catre rezervorul

termometrului umed in unitatea de timp, este proportionala cu viteza de evaporare a apei si cu caldura latenta a apei l . La randul ei, viteza de evaporare a apei este proportionala cu suprafata S a rezervorului din care se produce evaporarea, cu diferenta dintre presiunea vaporilor saturati p'_vs la temperatura t' aratata de termometrul rece (umed) si presiunea p_v a vaporilor de apa din atmosfera si este invers proportionala cu presiunea atmosferica p_B. Prin urmare:

Cantitatea de caldura Q_a primita de termometrul umed de la mediul ambiant, in unitatea de timp, este data de legea lui Newton:

Dupa cum s-a mentionat, atunci cand termometrul umed arata o temperatura stationara (constanta) inseamna ca Q_c = Q_a, de unde rezulta:

Fig. 4.21 - Exemplu de determinare a umiditatii relative cu ajutorul diagramei psihrometrice

temperatura termometrului uscat: 20⁰C; temperatura termometrului umed: 15⁰C; umiditatea relativa: 60%.

sau

iar umiditatea relativa rezulta din relatia:

in vare p_vs este presiunea de saturatie corespunzatoare temperaturii termometrului uscat, iar k = k₂/k₁ se numeste coeficient psihrometric si depinde de viteza de circulatie a aerului (tabelul 4.1).

Citind temperaturile termometrului uscat si umed si aplicand formula de mai sus, se poate determina umiditatea relativa a aerului. Aceasta poate fi determinata si cu ajutorul diagramei Mollier sau a celei psihrometrice, pe care sunt trasate curbele corespunzatoare temperaturii termometrului umed si respectiv uscat (fig. 4.21).

Tabelul 4.1

Valorile coeficientului psihrometric