1.3. Marimi termofizice caracteristice aerului umed. Diagrama I-d a aerului umed.

Aerul este un agent principal de lucru prin care se realizează toate procesele de ventilare si de

conditionare. Proprietătile aerului influentează în mod direct cantitativ si calitativ, fenomenele care participă la aceste procese.

Presiunea

Ecuatia caracteristică de stare a lui Clapeiron scrisă pentru un 1 kg a masei unui component i din

amestec:

(4.2)în care: mi- masa componentului de gaz i din amestec; R= 8,314 J/ mol.K este constanta universală a

gazelor ideale; Mi- masa moleculară a componentului de gaz i din amestec; - numărul de moli de gaze în amestec; pi - presiunea partială a gazului i, în Pa; V – volumul amestecului aer-vapori, în m3;T – temperatura absolută, în K.

Masa moleculară a aerului uscat, Ma = 29 g/mol Masa moleculară a vaporilor de apă este Mv = 18 g/mol .

Ecuaţia de stare a gazelor perfecte poate fi aplicată amestecului de aer umed sau fiecărui constituent în parte.

Conform legii lui Dalton presiunea atmosferică (barometrică), Pb este:

Pb = Pv + Pa.usc. ⎡⎣N / m ⎤⎦unde:Pb - presiunea barometrică,Pv - presiunea parţială a vaporilor de apa in aer şi reprezintă presiunea pe care o au numai vaporii de apă dacă ocupă acelaşi volum pe care il ocupă aerul umed.Pa.usc. - presiunea parţiala a aerului uscat.Presiunea aerului umed se determină pe baza legii lui Dalton, aerulumed fiind, conform definiţiei, un amestec de aer uscat şi vapori de apă:

Pa.umed=Pa.usc. +PvPresiunea parţială a vaporilor de apă creşte odată cu creşterea cantităţiide vapori conţinuţi in aerul umed, pană atinge valoarea maximă, cand aerul este saturat.Pentru definirea stării aerului umed şi pentru a urmări evoluţia lui în diferite transformări termodinamice, se utilizează parametrii de stare şi alte mărimi caracteristice amestecului. Relaţiile de calcul pentru aceste mărimi au rezultat din definiţii şi din aplicarea legilor gazelor perfecte.

TemperaturaAerul umed este caracterizat de trei temperaturi:

• temperatura termometrului uscat ( t ) – este temperatura aerului umed măsurată cu un termometru obişnuit, protejat impotriva radiaţiilor termice;• temperatura termometrului umed ( tumed ) – este temperature măsurată cu termometrul obişnuit, avand rezervorul infăşurat cu o husă din tifon imbibată in apă.Temperatura termometrului umed este mai mică decat cea indicată de termometrul uscat, deoarece, pană la saturaţie, aerul preia vapori de la husa imbibată in apă, şi implicit de la rezervorul termometrului umed. Această temperatură se mai numeşte şi temperatura de saturaţie adiabatică. Temperatura termometrului umed va fi cu atat mai coborată cu cat aerul este mai sărac in vapori de apă şi va indica aceeaşi temperatură cu cea a termometrului uscat cand aerul este saturat cu vapori de apă.• temperatura punctului de rouă (tr ) - este temperatura la care vaporii de apă din aerul umed, răcit izobar, devine temperatura de saturaţie. Cu cat temperatura aerului este mai ridicată, cu atat capacitatea lui de a prelua vapori este mai mare. Cu cat temperatura este mai scăzută, cu atat capacitatea de a reţine vapori de apă este mai redusă. Astfel, răcind aerul umed fără să se adauge vapori de apă, la o anumită temperatură aerul devine saturat. Răcind in continuare aerul sub această temperatură, o parte din vapori devine exedentară şi se depune sub formă de picături. Astfel segăseşte temperatura punctului de rouă. Mărimile de stare specifice care caracterizează aerul umed sunt raportate la 1 kg de aer uscat deoarece 1 kg poate avea o compoziţie diferită deoarece cantitatea de umiditate din atmosferă se modifică.

Umiditatea aerului umed

Umiditatea aerului se exprimă prin mărimile :-

Continutul de umiditate d, care reprezintă masa vaporilor de apă continuti, într-un kg de aer

uscat ( kg vapori/kg aer uscat):

(4.10)

-Umiditatea absolută, este masa vaporilor continuti într-un metru cub de aer umed. Pe baza

legii lui Dalton si a ecuatiei Clapeiron –Mendeleev, umiditatea absolută, este egală cu

densitatea vaporilor de apă din amestec :

D=ρv , kg/ m3 (4.11)

- Umiditatea relativă , este raportul dintre masa vaporilor de apă continuti într-un metru cub de aer umed şi masa maximă de vapori de apă (corespunzător saturatiei) pe care o poate absorbi aerul, la aceeaşi temperatură şi presiune.

(4.12)

Umiditatea relativă să măsoară în % :

(4.13)

Pentru =100%, aerul este saturat cu vaporii de apă si este denumit aer umed saturat. Vaporii de apă se află în starea de saturatie. În cazul cînd <100%, aerul contine vapori de apă în stare supraîncălzită si este denumit aer umed nesaturat. Mai jos de ϕ = 100 % este zona cetii.

Grad de saturare

Raportul dintre conţinutul de umiditate al aerului umed şi conţinutul maxim de umiditate la

saturaţie, la aceeaşi temperatură şi presiune:

µ = d / ds , (4.14)

în care: ms - masa vaporilor saturaţi, în kgv; ds - conţinutul de vapori la saturaţie, în kgv/kga; ps - presiunea parţială a vaporilor la saturaţie, în Pa;

Prin adaugarea vaporilor de apa de aceias temperatura, presiunea vaporilor tinde pina la temperatura de saturatie. Starea in care se afla aerul umed, care contine cantitatea maxima de vapori se numeste stare de saturatie. La saturaţie, presiunea parţială a vaporilor pv devine egală cu presiunea de saturaţie, ps. In domeniul de temperaturi (-40°C...+150°C) presiunea de saturaţie se poate determina cu o eroare mai mică de 0,5% cu una din relaţiile:- pentru t 0°C:

(4.15)

- pentru t > 0°C:

Căldura specifică a aerului umed

(la presiune constantă) a aerului umed este caldura necesară unui kilogram de aer umed pentru a-şi ridica temperatura cu 1°C (kJ/kg°C), variază cu temperatura si presiunea. In tehnica ventilării, procesele se consideră izobare, fiindcă variatiile de presiune fată de presiunea atmosferică sunt neglijabile. Se lucrează cu valori medie ale căldurii masice si pentru domeniul de temperatură între -20˚ C si +80˚ C, se pot considera valorile, pentru aer uscat si vapori de apă:

Caldura masică a aerului umed se determină cu relatia:

(4.9)

Entalpia aerului umed este suma dintre entalpia aerului uscat şi a vaporilor de apă. Entalpia aerului umed reprezintă căldura necesară pentru a obţine izobar, (1+d) kg de aer umed de temperatură t, plecând de la 1kg de aer uscat şi de la d kg de apă având temperatura de 0°C.

, kJ/kg

Diagrama i-d aerului umed.Starea aerului este definita de urmatorii parametri principali P, ϕ , t, d, I. Exista relatii care fac legatura intre parametri principali ia aerului umed. Pentru a simplifica calculele in practica sau costruit diagrame pentru aerul umed. În diagramele psihrometrice se reprezintă grafic relaţiile dintre parametrii principali ai aerului umed. Un punct dintr-o diagramă este definit prin doi parametri iar ceilalţi se pot stabili prin citire, interpolând între valorile marcate. Alegerea axelor de coordonate este arbitrară, urmărindu-se o bună lizibilitate în domeniul de valori curent utilizate. Cele mai utilizate diagrame au ca axe de coordonate entalpia I (h) şi conţinutul de umiditate d (x); axele fac un unghi mai mare de 90° (de obicei 135°). În anul 1918 prof. Ramzin L. a creat diagrama I-d care este asemănătoare cu diagrama h-x si se foloseste larg în tara noastră si în tările fostei Uniunei Sovetice. Diagrama este construită în axele de coordonate entalpie-conţinut de umiditate (I-d), care fac între ele un unghi de 135°.

Pe axa orizontală a acestei diagrame se citeşte conţinutul de umiditate d(x) (gv/kgau) şi presiunea parţială a vaporilor pv (mbar) iar pe axa verticală stânga se citeşte temperatura uscată t. Entalpia I (h) se citeşte direct pe dreptele I=const, înclinate la 45° faţă de orizontală.

Figura 4.4. Diagrama I-d pentru aer umed, la presiunea de 101325 PaPlanul unei diagrame psihrometrice este împărţit în două zone principale prin curba de umiditate relativă φ=100% pe care se citesc mărimile corespunzătoare stării de saturaţie (starea limită ce desparte fazele gazoasă şi lichidă). În instalaţiile de climatizare, se preferă zona de aer nesaturat, aferentă zonei de deasupra curbei de saturaţie, deoarece prezenţa picăturilor de lichid în aerul supus tratării conduce la o funcţionare corespunzătoare din punct de vedere al calităţii aerului (murdărirea filtrelor şi a camerei de amestec, înrăutăţirea transferului termic în bateriile de încălzire). Citirile parametrilor termodinamici ai aerului supus tratării complexe din centralele de tratare se fac aşadar în zona de aer nesaturat.

1.4. Procese termodinamice simple de tratare a aerului. Prezentarea lor in diagram I-d.

Realizarea parametrilor necesari ai aerului interior se obtine prin tratarea aerului care presupune un lant de procese simple: de amestecare de încalzire de racire, de umezire, de uscare. Toate aceste procese sunt transformari succesive ale starii aerului umed.

1. Încălzirea aerului.

Fig. 4.5. Schemă realizare proces (se realizează cu o baterie de încălzire)

a) b)Fig. 4.6. Proces de încălzire uscată a aeruluia – în diagrama h-x (I-d); b- în diagrama t-x

Se consideră un proces de încălzire uscată care să desfăsoară de la starea 1 la 2, fig. 4.6, la trecerea aerului umed printr-o baterie de încălzire. Procesul 1-2 va decurge dupa dreapta d=const în sus, deci după directia ε=+∞, umiditatea relativa se micsoreaza, entalpia creste, temperatura creste, deci aerul se incalzeste. Debitul de căldură preluat de aer, respectiv cedat de bateria de încălzire:

(4.20)

sau aproximativ

(4.21)

în care L-debitul de aer, în kg/h.

2. Racirea aerului

Fig 4. 7. Schemă realizare proces (se realizează cu o baterie de răcire)

Figura 4.13. Procesul de răcire uscată a aerului în diagrama I-d

a – în diagrama h-x (I-d); b- în diagrama t-x

Se consideră un proces care să desfăsoară de la starea 1 la 2, fig. 4.13, la trecerea aerului umed printr-o baterie de răcire. Aerul in rezultatul schimbului de caldura prin convectie cedeaza numai caldura perceptibila. Dacă temperature suprafetei de răcire tbr este mai mare ca temperature punctului de rouă a aerului tr (tbr ≥tr1) atunci nu va avea loc condensarea vaporilor de apă pe suprafata de schimb, iar în diagrama I-d procesul 1-2 va decurge dupa dreapta d=const în jos, deci după directia ε=-∞, umiditatea relativa creste, entalpia se micsorează, temperatura se micsorează, deci aerul se răceste. Limita stării aerului în acest preces este la intersectia dreptei d=const cu

% (punctul 3). In procesul 3-4 are loc condensarea vaporilor.Debitul de căldură extras din aerul supus răcirii şi preluat de către bateria de răcire:

(4.22)

sau aproximativ

QBR=L (t1− t2 ) (4.23)

3. Tratarea aerului cu apa – acest proces se mai numeste si umidificarea aerului. Are loc in camere de umezire, in camera de pulverizare unde aerul vine intr-un contact direct cu apa fin pulverizată, aerul se umedifica pina la valoarea necesara. In timpul procesului de umedificare au loc schimbari de caldură si masă. Se deosebesc:

Umidificarea adiabatica sau izoentalpică unde acest proces de umidificare se realizeaza teoretic, ε=0 (proces 1-2); practic, ε=cp,apă tapă, iar cp,apă= 4,186 kJ/kg. Se realizează prin pulverizarea apei recirculate în curentul de aer când temperatura apei coincide cu temperatura aerului dupa termometrul umed tapă=tu (temperatura după termometrul umed a aerului ce intră în camera de stropire). Directia de umdificare poate fi considerata practic dupa I=const, entalpia constanta.

Fig. 4. 12. Schemă realizare proces (se realizează cu o cameră de umidificare)

Figura 4.14. Proces de umidificare adiabatică în diagrama I-d.a – în diagrama h-x (I-d); b- în diagrama t-x

Limita starii se afla in punctul 3, la intersectia treptei d=const si ϕ = 100 % . In calculele ingineresti practice acest proces are loc pina la punctul 2 la intersectia treptei d=const si ϕ = 90-95 %.Debitul de vapori preluat de către aer:

- teoretic (4.24)

respectiv:

- real. (4.25)

Umidificarea izoterma

Fig.4. 12. Schemă realizare proces (se realizează cu o cameră de umidificare)

Figura 15. Procesul de umidificare izotermă în diagrama I-d și h-t.

-Umidificarea izoterma – acest proces ee realizează cu injecţie de abur saturat produs de un generator propriu în curentul de aer (temperatura vaporilor coincide cu temperatura aerului t=t1). Aerul se va umidifica iar temperatura nu se va schimba de aceia procesul va decurge după t=const. Umidificare izotermă (proces 1 - 2) la temperatura t=t1.

ε = Iv= cp,v t (4.26)

Debitul de vapori preluat de aer:

(4.27)

Debitul de căldură preluat de aer:

(4.28)

4. Răcirea si uscarea a aerului

Figura 4. 16. Procesul de răcire și uscare a aerului în diagrama I-d

Răcirea si uscarea a aerului (proces politropic) – procesul schimbarii aerului in conditionarea aerului, legate cu introducerea si destinatia simultana aerului, a caldurii si umeditatii sau racire si uscare simultana a aerului se numeste proces politropic. In diagrama I-d acest proces are diferite directii. Răcire cu uscare (proces 1 -2), ε > 0.Se realizează cu o baterie de răcire având temperatura medie tBR ≤ tr1 (temperatura punctului de rouă). O parte de vapori de apă din aer condensează pe peretii bateriei de răcire, continutul de umiditate scade, se produce uscarea aerului. Temperatura aerului scade, deci aerul se răceste.Debitul de căldură preluat de la aer:

(4.29)

Debitul de vapori de apă condensaţi:

(4.30)

5. Amestecul a doua debite de aer cu parametrii diferiti.

In sistemele de ventilare si climatizare in scopul economisirii energiei deseori se foloseste schema cu aer amestecat. In acest caz, aerul preluat din exterior se amestecă cu aerul preluat din incapere (aer recirculat). Are loc amestecul a două debite de aer.

In diagrama I-d punctele I si E prezintă stările celor două debite de aer ce se amestecă în proportia n=LI/LE. Starea aerului amestecat C se va găsi pe dreapta ce uneste punctele de stare I si E.

Figura 17. Reprezentarea în diagrama I-d și h-t amestecul a două debite de aer cu parametrii difirăți. Amestec în zona de nesaturație.

Procesul E-I – procesul de amestecare a doua debite de aer;E (1)– caracterizeaza starea aerului 1 (parametrii aerului exterior);I (2)– caracterizeaza starea aerului 2 (parametrii a aerului interior);C – caracterizeaza parametriia aerului amestecat, el obligatoriu se afla pe aceasta dreaptă. Pozitia punctului C se determina din bilanțul de căldură și umiditate:

(4.31)

(4.32)

(4.33)

(4.34)

Figura 4.18. Reprezentarea în diagrama I-d a amestev cului două debite de aer cu parametrii diferiti. Amestec în zona de ceată

Uneori punctul de amestec C se poate afla mai jos de ϕ = 100 % în zona de ceată, se produce condensarea vaporilor de apă, procesul se poate considera după directia ε=0.