AERUL, AGENT DE LUCRU ĪN INSTALAŢIILE DE VENTILARE SI CLIMATIZARE
2.1 AERUL ATMOSFERIC
2.1.1 Generalitati
Atmosfera este compusa dintr-un amestec de gaze care īnconjoara Pamāntul, cu care participa īmpreuna la miscarile de rotatie si revolutie, fiind supusa fortei de atractie gravitationala si fortei centrifuge. Pe baza cercetarilor aerologice, Organizatia Meteorologica Mondiala considera ca atmosfera are grosimea de circa 400 km. Ţinānd seama īn principal de variatia temperaturii cu altitudinea, atmosfera se īmparte īn cinci straturi si anume (fig.2.1): troposfera (0-11 km), stratosfera (11-35 km), mezosfera (35-80 km), termosfera (80-400 km) si exosfera (>400 km), īntre ele considerāndu-se zone de trecere denumite tropopauza, stratopauza etc.
Īn troposfera este concentrata circa 97% din masa de aer, cea mai mare parte din cantitatea de vapori de apa , aici producāndu-se schimbarile meteorologice. Sub aspect termic sunt de precizat variatiile importante ale temperaturii aerului cu altitudinea (v. fig. 2.1).
Fig.2.1 Structura atmosferei pe verticala
Presiunea barometrica prezinta o scadere exponentiala cu altitudinea, micsorāndu-se de la
valoare medie de 1013 mbar la nivelul marii, la 265 mbar la limita superioara a troposferei si la 5 mbar la limita superioara a stratosferei.
O neuniformitate accentuata se regaseste si īn plan orizontal, in special la nivelul
troposferei, unde se īntālnesc mase mari de aer arctice, polare, tropicale si ecuatoriale, de natura continentala sau maritima, cu caracteristici termice diferite, care, sub influenta unor centri barici cu presiune ridicata ca si a altor factori perturbatori, conduc la modificari permanente sau temporare ale structurii atmosferei īnconjuratoare.
2.1.2 Compozitia aerului atmosferic
Aerul atmosferic este format din ,,aer curat" denumit uneori si ,,aer normal uscat" la care
se adauga vapori de apa si alte impuritati sub forma de gaze, vapori ai unor substante sau praf (fig.2.2).
Componenta aerului normal uscat cu participatiile volumice si masice este indicata īn
tabelul 2.1. Preponderenta azotului si oxigenului permite ca pentru modelul teoretic al aerului atmosferic sa se neglijeze participatia celorlate gaze
Tabelul 2.1 Componenta aerului normal uscat
|
Denumirea componentului |
Participatia |
Masamoleculara Mi |
Masa molecularaa amestecului |
|
|
Volumica Vi (%) |
MasicaMi (%) |
|||
|
Azot N2 Oxigen O2 Alte CO2, NO2, CH2, gaze H2, O3, Ar, Ne, He, Kr, Xe, RN |
|
|||
existente permanent īn amestec. Desi participatia lor īmpreuna este sub 1% volumic sau 1,32 % masic (vezi tabel 2.1), pentru doi din constituienti se impun anumite observatii. Dioxidul de carbon, care are o participatie relativ constanta (0,033% īn volum), prezinta īn ultimul secol o crestere de tip exponential. Cauzele principale le constituie cresterea emanatiilor si respectiv scaderea rolului fotosintezei īn ciclul
Fig.2.2 Compozitia aerului Fig.2.3. Efectul de sera
atmosferic
acestui gaz, datorita reducerii "stratului verde" prin defrisarile si destelenirile exagerate, efectuate īn ultimile decenii. Īn atmosfera marilor centre urbane sau a platformelor industriale, unde concentratia dioxidului de carbon este mai mare, se accentueaza efectul de "sera", care se bazeaza pe proprietatea acestuia de a fi permeabil la orice fel de radiatii cu exceptia celor de unda lunga pe care le reflecta. Solul primind radiatii pe o mare gama de lungimi de unda se īncalzeste si emite continuu īn spatiu raze infrarosii care ajunse īn atmosfera bogata in CO2 sunt reflectate, proces care tinde sa se desfasoare īn timp cu "feed-back" pozitiv (fig. 2.3).
Un al doilea element component, cu o participatie si mai mica (0,01 volume pe milion), care constituie obiectul multor discutii actuale, īl reprezinta ozonul (O3) constituit sub forma unui strat situat la altitudini īntre 40 si 60 km (v. fig.2.1) si care are un rol de filtru fata de doza mare de radiatii ultraviolete de lungime de unda foarte scurta daunatoare pentru oameni si vietuitoare (degradarea acestui strat a constituit īn anul 1981 obiectul unui avertisment al Organizatiei Mondiale a Sanatatii ). Degradarea se explica īn prezent prin actiunea catalitica a atomilor de clor din fluorcarbon, care combināndu-se cu ozonul, formeaza O2 si OCl2, reactie care continua cu formarea de O2 si Cl.
Vaporii de apa prezenti īn aerul atmosferic variaza īn limite largi: de la 0,02 % īn conditii de desert pāna la 4% īn zonele ecuatoriale.Pe lānga influenta pe care o au īn reducerea valorii intensitatii radiatiei solare incidente la sol (v. cap. 2.3.4), vaporii de apa, alaturi de factorii tehnici au un rol important īn declansarea proceselor catalitice. Astfel, poluantii primari, emisi direct de surse identificate sau identificabile sunt transformati īn poluanti secundari, mult mai nocivi. Practic, vaporii de apa influenteaza vizibil proprietatile fizico-chimice ale aerului.
Impuritatile din aer sunt denumite īn cadrul unui domeniu mai nou al stiintei "Aerologia" drept aerosoli, incluzānd toate substantele naturale sau artificiale care pot fi aeropurtate. Acestia pot fi solizi, lichizi , gaze sau vapori, sub forma de particule, molecule sau amestecuri ale acestora, fiind in general mai grele ca aerul.
Natura aerosolilor din aer este foarte diversa, īn functie de natura surselor care le degaja (tab.2.2). Concentratia lor este neuniforma īn timp si spatiu, depinzānd de o multitudine de factori dintre care intensitatea, debitul si caracteristicile surselor, marimea, forma si densitatea relativa īn raport cu aerul, starea factorilor meteorologici etc. Sursele de degajare pot fi naturale (sol, reziduuri vegetale si animale, fenomene naturale) si artificiale, īn cadrul carora se disting trei categorii principale: īntreprinderi industriale, mijloace si cai de transport si sisteme de īncalzire.
Depasirea unor anumite concentratii pentru fiecare din impuritatile continute de aer are efecte daunatoare, asupra plantelor, animalelor, constructiilor si obiectelor de la sol; provocānd modificari importante ale factorilor metereologici, pot afecta calitatea mediului īn care oamenii traiesc si isi desfasoara activitatea.
Modificarile provocate factorilor meteorologici, frecvente marilor aglomerari urbane ca si unor platforme industriale pot fi : reducerea valorii intensitatii radiatiei solare ziua si micsorarea efectului de racire noaptea; sporirea numarului de zile cu ceata industriala; cresterea numarului nucleelor de condensatie care in anumite limite favorizeaza ploaia sau dimpotriva, la concentratii mai mari, transforma precipitatiile in burnita; reducerea numarului de zile īnsorite si īn general a vizibilitatii; modificarea starii de electricitate a atmosferei prin scaderea numarului de ioni mici negativi si cresterea celor mai mari, pozitivi etc.
2.2 AERUL UMED
Īn procesele termodinamice de transformare a starii aerului, acesta are ca model fizic si matematic, aerul umed. Astfel, este posibila efectuarea calculelor privitoare la parametrii aerului si la diversele procese de tratare ale acestuia. Prin aer umed se īntelege un amestec format din aer uscat si vapori de apa. Īn compozitia aerului uscat se considera nu numai principalii constituienti si anume azotul si oxigenul, ale caror participatii sunt de 79 % azot si 21% oxigen (participatii volumice) sau respectiv 77% azot si 23% oxigen (participatii masice).
2.2.1 Marimi caracteristice aerului umed
Īn limitele de temperatura si presiune care se īntalnesc īn tehnica ventilarii si climatizarii, gazelor si vaporilor de apa din amestecul care formeaza aerul umed li se pot aplica legile gazelor perfecte. Pentru gaze, aceasta este posibil din cauza temperaturilor foarte ridicate īn raport cu cea de lichefiere, iar pentru vaporii de apa deoarece presiunea partiala a acestora este foarte mica īn raport cu presiunea totala a amestecului.
Pentru precizarea starii aerului umed si pentru a urmari evolutia īn diferite procese se utilizeaza parametrii de stare clasici: temperatura si presiune precum si marimi caracteristice amestecului: umiditate, densitate, caldura masica, entalpie masica.
Tabelul 2.2 Impuritati īntālnite frecvent īn atmosfera
Denumirea |
Marimea particulelor |
Sursa |
||||
|
Naturala |
Industrie |
Transporturi |
Arderea combustibililor |
Diverse |
||
Aerosoli soliziCarbune nears Cenusa CimentPulberi pe sol Fumuri metalice Fumde carbune Spori vegetali Polen Bacterii Virusuri Oxizi metalici Aerosoli lichiziAcid sulfuric Acid fluorhidric Solventi Mercur Aerosoli gaze si vapori Compusi de sulf Oxizi de azot Oxizi de carbon Hidrocarburi Hidrogen sulfurat Amoniac |
0,03-0,3 |
x x x x x x x |
x x x x x x x x x x x x x x x x x |
x x x x x x x x |
x x x x x |
x x x x x |
2.2.1.1 Presiunea aerului . Conform legii lui Dalton presiunea totala a unui
amestec ce ocupa un volum dat rezulta din īnsumarea presiunilor partiale ale componentilor acestuia. Īn cazul aerului umed, presiunea totala rezulta deci din īnsumarea presiunii aerului uscat pa si a vaporilor de apa pv :
p=pa + pv. (2.1)
Īn instalatiile de ventilare si climatizare presiunea aerului nu este uniforma unele portiuni fiind īn suprapresiune, iar altele īn subpresiune fata de presiunea atmosferica.Totusi pentru calculele practice, īn majoritatea cazurilor, se considera īn īntraga instalatie aceeasi presiune, egala cu presiunea barometrica B (deci p=B), eroarea fiind īn general sub 1%.
2.2.1.2. Temperatura aerului. Deosebim urmatoarele temperaturi ale aerului,
utilizate īn tehnica instalatiilor de ventilare si climatizare:
-temperatura dupa termometrul uscat t este temperatura masurata cu un termometru de o anumita clasa de precizie, protejat īmpotriva radiatiilor termice;
-temperatura dupa termometrul umed t' este temperatura indicata de un termometru obisnuit de o anumita clasa de precizie, al carui bulb este īnfasurat īntr-un tifon (pānza) īmbibat īn apa. Este definita ca fiind temperatura de saturatie adiabatica si izobara a aerului umed;
-temperatura punctului de roua tt este temperatura pentru care presiunea partiala a
vaporilor de apa din aerul umed de o anumita temperatura si continut de umiditate, racit izobar, devine egala cu presiunea lor de saturatie sau reprezinta temperatura la care īncepe condensarea vaporilor de apa la racirea izobara, cu continut de umiditate constant, a aerului umed.
Pentru aer nesaturat t>t'> tt, iar pentru aer saturat t>t'> tt.
2.2.1.3. Umiditatea aerului. Marimile care exprima umiditatea aerului sunt: continutul de umiditate, umiditatea specifica, umiditatea absoluta si umiditatea relativa.
Continutul īn umiditate x este masa vaporilor de apa continuti īntr-un kilogram de aer uscat:
(2.2)
Se observa ca masa vaporilor de apa este raportata la kilogramul de aer uscat si nu la cel de aer umed. Acesta usureaza calculele, deoarece majoritatea transformarilor de stare ale aerului sunt īnsotite de variatii ale umiditatii, astfel īncīt masa amestecului se schimba, īn timp ce masa aerului uscat ramāne constanta.
(2.3)
īn care constanta caracteristica a aerului uscatRa=287 J/kg K si cea a vaporilor Rv=462 J/kg K. Atunci:
(2.4)
Umiditatea specifica a aerului umed x exprima continutul de vapori de apa dintr-un kilogram de amestec:
(2.5)
Umiditatea absoluta a reprezinta masa vaporilor de apa continuti īntr-un metru cub de aer umed, deci se masoara prin densitatea a vaporilor de apa din amestec:
Umiditatea relativa f este raportul dintre masa de vapori de apa continuti īntr-un metru cub de aer umed si masa de vapori de apa corespunzatoare saturatiei, la aceeasi temperatura si presiune. Acesta īnsemna ca umiditatea relativa se exprima prin raportul dintre umiditatea absoluta si cea corespunzatoare saturatiei:
(2.6)
2.2.1.4. Densitatea aerului umed r Ţinānd seama ca:
(2.7)
se ajunge la expresia densitatii aerului umed sub forma
(2.8)
de unde rezulta ca densitatea aerului umed r este mai mica decāt cea a aerului uscat ja pentru aceeasi presiune barometrica si temperatura.
2.2.1.5. Caldura masica a aerului umed cp. Caldura masica variaza cu temperatura si presiunea. Īn tehnica ventilarii si climatizarii aerului, procesele se considera izobare datorita faptului ca variatiile de presiune fata de presiunea atmosferica sunt neīnsemnate. De obicei se lucreaza cu valori medii ale caldurii masice, corespunzatoare domeniului de variatie a temperaturii, la presiune constanta.
Pentru domeniul temperaturilor obisnuite īntre -20 0C si +80 0C se pot lua urmatoarele valori medii:
=1,005kJ/kg K~1 kJ/kg K - pentru aer uscat;
=1,84 kJ/kg K - pentru
vapori de apa;
(2.9)
2.2.1.6. Entalpia aerului umed h. Pentru domenii de temperatura īntālnite īn tehnica ventilarii si climatizarii, entalpia specifica a aerului uscat este:
(2.12)
iar cea a vaporilor de apa:
(2.13)
īn care r0 este caldura latenta masica de vaporizare a apei r0=2500 kj/kg (la 0 0C)
Entalpia specifica a aerului umed va fi:
(2.14)
Ca si īn cazul continutului de umiditate x, entalpia aerului umed se obisnuieste sa se raporteze la kilogramul de aer uscat (entalpie nespecifica), astfel īncāt se foloseste relatia:
(2.15)
sau cu valorile aratate anterior:
(2.15)
Marimile caracteristice ale aerului umed necesare īn calcule termotehnice ale instalatiilor de ventilare si climatizare sunt date īn tabele sau īn diagrame de aer umed.
2.2.2. Diagrama h-x pentru aerul umed
La proiectarea instalatiilor de ventilatie si climatizare, rezolvarea problemelor de schimbare a starii aerului īn īncaperi si īn procesele de tratare a acestuia (īncalzire, racire, umidificare, uscare etc.) se face folosind diagrame pentru aer umed care exprima grafic legatura dintre marimile caracteristice ale aerului umed.
Īn tara noastra, cel mai des folosita este diagrama h-x, construita īn coordonate oblice cu un unghi īntre acestea de obicei de 1350 (fig. 2.4.).
Folosind digrama h-x se poate defini complet, prin toate
marimile sale caracteristice (h, x, t ,f ), o
anumita stare a aerului umed, daca se cunosc doua din aceste
marimi si bineīnteles presiunea barometrica B. Astfel spre
exemplu, starea aerului dintr-o īncapere cu tA si fA date este complet
definita daca dupa ce se figureaza īn diagrama punctul de
stare A, se citesc direct ceilalti parametri hA, xA
(fig. 2.6). Pe aceeasi diagrama se pot citi si presiunea
partiala a vaporilor de apa 
, temperatura punctului de roua 
, iar cu aproximatie (v.cap.11.3) temperatura aerului
dupa termometrul umed t'A.
Scara unghiulara a diagramei h-x exprima directia proceselor de schimbare a starii aerului ca urmare a preluarii (sau cedarii) caldurii si umiditatii. Astfel, trecerea aerului de la starea initiala A (fig. 2.7) la starea finala B este insotita de cresterea entalpiei de la i1 la i2 si de cresterea continutului de umiditate de la x1 la x2, obtināndu-se, pentru un kilogram de aer uscat variatiile :
Dh=h2-h1 si Dx=x2-x1. (2.16)
Caracterul procesului de schimbare a starii aerului īn acest caz poate fi exprimat prin raportul de termoumiditate (raza procesului):
(2.17)
sau daca debitul de aer este L [kg/s], tinānd seama ca:
-debitul de caldura -DQt=L(h2-h1)=LDh [kW]
-debitul de umiditate -DGv=L(x2-x1)=LDx [kg/s]
rezulta:
Īn
diagrama h-x, raportul de termoumiditate e este exprimat prin
coeficientul unghiular al dreptei 
care reprezinta
schimbarea starii aerului.
Directiile sunt trasate pe diagramele h-x sub forma unor raze dintr-un sector de cerc (fig. 2.4).
Valorile pentru unele procese particulare se stabilesc dupa cum urmeaza si sunt reprezentate īn diagrama h-x din figura 2.7.
-Pentru procese ce au loc cu x=const:
cu mentiunea
ca pentru cele avānd Dh<0 (racire= rezulta e=-
, iar pentru ji>0 (īncalzire),
rezulta e=+.
-Pentru procese ce se desfasoara cu h=const.:
Fig. 2.4
Fig.2.5. Reprezentarea īn diagrama Fig.2.6. Reprezentarea īn diagrama
h-x a punctului de stare A. h-x a schimbarii starii
aerului dupa directia e
-Pentru procese izoterme, t=const. din zona de nesaturatie ( j<1), tinānd seama de variatia entalpiei:
Dh=h2-h1=[1,0t+(1,84t+2500)x2]-[1,0t+(1,84t+2500)x1]=
=(1,84t+2500)Dx
se obtine:
(2.18)
unde hv reprezinta entalpia vaporilor, iar īn cazul particular t=0, e=2500 kJ/kg.
-Pentru izotermele din zona de ceata, starea aerului suprasaturat(punctul A din diagrama din fig. 2.8) fiind instabila, se separa x kg/kg de aer uscat, sub forma de picaturi de apa. Aerul saturat care rezulta poate fi reprezentat prin punctul A' de pe curba j=1, cele doua stari A si A' avānd aceeasi temperatura t1. Īn acesta situatie variatia entalpiei va fi data de entalpia apei separate, adica :
unde caldura specifica a apei ca=4,185 kJ&kgK . Atunci:
(2.19)
este directia izotermei de ceata. Deoarece se lucreaza cu temperaturi relativ mici, izoterma de ceata este foarte apropiata de dreapta de entalpie constanta cu e=0, astfel īncāt practic poate fi considerata paralela cu h=constant.
Fig.2.7. Raportul de termoumiditate Fig.2.8. Izoterma īn zona
e pentru procese particulare de ceata
2.2.3. Procese simple de tratare a aerului
Īnainte de a fi refulat īn īncapere, aerul de ventilare sau climatizare trebuie sa fie tratat, adica sa i se schimbe starea, astfel īncāt sa aiba parametrii necesari realizarii īn īncapere a conditiilor de microclima cerute.
Īn tehnica ventilarii si climatizarii intereseaza cunoasterea parametrilor aerului la īnceputul si la sfārsitul unui proces de tratare, fara sa existe o preocupare pentru starile intermediare. Ca urmare, reprezentarea acestor procese īn diagramele pentru aer umed apar ca linii drepte, chiar daca īn realitate starile intermediare se īnscriu pe curbe cuprinse īntre punctele ce reprezinta starea initiala si finala a aerului.
2.2.3.1. Tratarea aerului cu schimbatoare de suprafata (uscate). Īncalzirea aerului . Aerul umed trecut printr-o baterie de īncalzire īsi mareste temperatura si entalpia, continutul sau de umiditate ramānānd constant. Īn diagrama h-x (fig 2.9), procesul decurge de la starea 1 la starea 2 pe dreapta x=const. deci dupa directia e . Temperatura finala a aerului nu ajunge sa egaleze temperatura medie a suprafetei de īncalzit tBI, astfel īncāt t2<tBI.
Daca debitul de aer este L [kg/s] si diferenta de entalpie Dh [kJ/kg] debitul de caldura cedat de bateria de īncalzire este:
[kW]
Cu aproximatie expresia debitului de caldura poate fi scrisa si īn functie de diferenta de temperatura. Astfel, folosind relatia pentru entalpie si tinānd seama ca x1=x2=x se ajunge la :
[kW]
Deoarece īn ventilare aerul are un continut mic de umiditate, se poate neglija termenul 1,84x(t2-t1), ca foarte mic īn raport cu termenul 1,0(t2-t1), astfel īncāt:
[kW]
Racirea aerului. Daca tBR este temperatura suprafetei bateriei de racire si tt temperatura punctului de roua a aerului, daca tBr< tt neexistānd posibilitatea de condensare a vaporilor de apa pe suprafata de schimb, procesul īn diagrama h-x decurge de la starea initiala 1 la starea finala 3 dupa x=const. cu directia e (fig2.10)
Īn aceste conditii pentru debitul de caldura absorbit de bateria de racire se aplica aceleasi relatii ca la īncalzirea aerului, adica:
a procesului de īncalzire a aerului
[kW]
Fig.2.10. Reprezentarea īn
diagrama Fig.2.11 Reprezentarea īn diagrama h-x a
h-x a procesului de racire a procesului de racire si uscare a
aerului (tBR
tt). aerului (tBR<tt
Racirea si uscarea aerului. Īn conditiile īn care tBR<tt, o parte din vaporii de apa din aer condenseaza pe peretii bateriei de racire, continutul de umiditate scade, se produce deci uscarea aerului. Reprezentarea conventionala (prin starile initiala si finala) a procesului de racire si uscare a aerului 1-2 este aratata īn fig. 2.11, starea finala 2 gasindu-se pe dreapta 1-2', punctul 2' fiind la intersectia izotermei tBR si curba j
Debitul total de caldura absorbit de agentul primar rece care circula prin baterie, cuprinzānd atāt caldura perceptibila (sensibila), cāt si cea latenta eliberata prin condensare este:
[kW]
nefiind aplicabila relatia de tipul 2.21 care da erori mari.
2.2.3.2. Amestecul debitelor de aer cu parametrii diferiti. Entalpia hm si continutul de umiditate xm al aerului provenit din amestecul mai multor debite de aer L1,L2...,Ln parametrii (h1,x1), (i2,x2),...,(in,xn) se pot determina din bilantul de caldura:
si de umiditate:
a- amestec īn zona de nesaturatie; b- amestec īn zona de ceata
rezultānd entalpia si continutul de umiditate ale aerului amestecat:
Determinarea parametrilor aerului amestecat se poate face si grafic, folosind diagrama h-x. Astfel, īn fig. 2.12., a punctele 1 si 2 reprezinta starile a doua debite de aer ce se amesteca īn proportia L1/L2=n. Se poate demonstra ca starea aerului amestecat M se va gasi pe dreapta ce uneste punctele de stare 1 si 2. Punctul M īmparte segmentul 1-2 īn parti invers proportionale cu debitele de aer care intra īn amestec .
Īn cazul cānd punctul de amestec M se gaseste īn zona de ceata (fig. 2.12.,b) se produce condensarea vaporilor de apa, proces izoterm care, asa cum s-a aratat, se poate considera ca decurge dupa raza procesului e=0 (izoterma īn zona de ceata). Starea finala a aerului va fi M' (sau aproximativ M''). Īn acest proces se separa prin condensare un debit de apa :
G=LDx=L(xm-xm').
|
