Vaporizarea - Vaporizarea in interiorul tevilor

Vaporizarea

Vaporizarea este procesul termodinamic prin care agentul frigorific isi schimba starea de agregare din lichid in vapori, absorbind caldura de la sursa rece, reprezentata de mediul racit (aerul sau un agent termic lichid). In vaporizator, este realizat efectul util al instalatiilor frigorifice. Procesul de vaporizare va fi analizat in continuare, separat pentru cazul realizarii acesteia in interiorul tevilor si separat pentru cazul realizarii acesteia in spatiul dintre tevi si manta al vaporizatoarelor.

De regula, vaporizarea este realizata in interiorul tevilor, in aparate construite din serpentine, destinate racirii aerului sau racirii lichidelor, respectiv in spatiul dintre un fascicul de tevi si manta, in aparate de constructie multitubulara, cel mai adesea orizontale, destinate racirii lichidelor.

Se observa ca racirea aerului, sau eventual a altor gaze, poate fi realizata numai prin vaporizarea agentului frigorific in interiorul tevilor, iar racirea lichidelor poate fi realizata atat prin vaporizarea agentului frigorific in interiorul tevilor, cat si prin vaporizarea acestuia intre tevi si manta.

Daca in timpul vaporizarii agentului frigorific in spatiul dintre tevi si manta, prin interiorul tevilor circula apa, aceasta poate fi racita cel mult pana in apropierea temperaturii de 0C, pentru evitarea inghetarii la interiorul tevilor. Formarea ghetii in procesele de racire a apei, este permisa numai la exteriorul tevilor, in bazine prevazute cu serpentine in care vaporizeaza agentul frigorific.

Daca se doreste racirea lichidelor la temperaturi negative, vor trebui utilizate alte substante in locul apei. De obicei se utilizeaza solutii apoase de tip antigel, sau saramuri,

toate avand temperaturi de solidificare negative. In tehnica frigului, aceste substante sunt denumite generic agenti frigorifici intermediari.

Vaporizarea in interiorul tevilor

Racitoare de aer

Procesul de vaporizare este reprezentat in figura 48, unde se observa ca in interiorul tevilor, cantitatea de lichid se reduce treptat spre iesirea agentului frigorific din aparat. Ultima portiune a serpentinei, este integral umpluta de vapori.

Schema de principiu a unui racitor de aer, este prezentata in figura 49. Agentul frigorific provenit de la ventilul de laminare, intra in aparat sub forma de vapori umezi (v.u.) (amestec de lichid si vapori saturati) si iese din aparat sub forma de vapori supraincalziti (v.si.). Aerul la intrarea in vaporizator (a.i.) este cald, iar la iesirea din acesta (a.e.) devine

rece, deoarece in racitor, aerul cedeaza caldura preluata de agentul frigorific. Presiunea agentului frigorific in vaporizator, este considerata constanta si are valoarea presiunii de vaporizare p0 Aceasta ipoteza este corecta in conditiile in care se neglijeaza pierderile de presiune din vaporizator, datorate curgerii in conditii reale, a agentului frigorific.

Evolutia procesului de vaporizare, in interiorul tevii din care este construita serpentina vaporizatorului, este prezentata in figura 50.

La intrarea in vaporizator (1) titlul vaporilor umezi, este de cca. 1525%. Aceasta stare poate fi considerata cea de iesire a agentului frigorific din dispozitivul de laminare.

Ponderea vaporilor in amestecul cu lichidul creste continuu, de la intrarea spre iesirea agentului frigorific (1, 1). Astfel cantitatea de lichid din teava scade continuu, iar cantitatea de vapori creste permanent. Vaporizarea propriu-zisa se incheie odata cu schimbarea starii de agregare a ultimei picaturi de lichid (2).

Pe toata durata procesului de vaporizare 1-2, temperatura ramane constanta, la valoarea temperaturii de vaporizare t0, iar vaporii de agent frigorific sunt saturati si se gasesc in echilibru cu lichidul, care de asemenea este saturat.

Pentru vaporizarea propriu-zisa este utilizata aproximativ 85-90% din suprafata totala a vaporizatorului. In ultima parte a suprafetei de transfer termic a vaporizatorului, agentul frigorific aflat in stare de vapori, continua sa ramana in contact cu aerul cald si astfel va continua sa absoarba caldura marindu-si temperatura cu cateva grade, ajungand ca la iesirea din aparat sa fie usor supraincalzit (3). Pentru supraincalzire este utilizata cca. 10-15% din suprafata totala a vaporizatorului.

Exista particularitati constructive ale racitoarelor de aer, in functie de tipul aplicatiei pentru care sunt utilizate: instalatii si echipamente de conditionare a aerului, sau instalatii si echipamente pentru producerea frigului industrial. Particularitatile sunt datorate comportarii diferite a aerului racit in aceste vaporizatoare, datorata temperaturilor diferite ale suprafetelor acestor aparate.

In aplicatiile frigului industrial, chiar daca temperatura care trebuie mentinuta in spatiile racite este pozitiva, cel mai adesea temperatura medie a suprafetei racitoarelor, coboara sub 0C, ceea de determina acumularea pe vaporizator a unor depuneri de zapada sau gheata (in functie de densitatea depunerii, care la randul ei depinde de viteza de formare a acesteia, de conditiile de lucru, etc.). Acest fenomen, denumit si givrare, este des intalnit in practica instalatiilor frigorifice. Depunerile de zapada sau gheata au doua efecte negative majore, pe de-o parte reduc intensitatea transferului termic dintre aer si agentul frigorific si pe de alta parte reduc sectiunea de curgere a aerului. Pentru evitarea colmatarii complete a racitorului, spatiul prevazut intre nervurile lamelare montate pe serpentine, este mult mai mare decat in cazul condensatoarelor racite cu aer, sau decat in cazul racitoarelor care nu givreaza. In plus, racitoarele de aer pe care in timpul exploatarii se poate depune zapada sau gheata, trebuie prevazute cu dispozitive pentru degivrare, care sa incalzeasca zapada pana la topire si cu dispozitive pentru colectarea si evacuarea apei produse in timpul degivrarii.

In aparatele de conditionare a aerului, temperatura medie a suprafetei racitoarelor, este de regula pozitiva, dar inferioara temperaturii punctului de roua (corespunzator aerului la intrarea in racitor), ceea ce determina condensarea umiditatii din aer pe suprafata vaporizatoarelor. Aceasta umiditate trebuie colectata si evacuata. Conex cu necesitatea evacuarii apei, este cunoscut faptul ca din aparatele de conditionare a aerului picura adesea apa. Deoarece umiditatea depusa in stare lichida pe suprafata de transfer termic dintre aer si agentul frigorific, nu pune in pericol curgerea aerului, spatiul dintre nervurile prevazute pe serpentine, este mult mai mic decat in cazul racitoarelor de aer care givreaza. La intrarea in vaporizator, vaporii umezi de agent frigorific (1) au temperatura de vaporizare t₀, iar la iesire (3), vaporii obtinuti sunt usor supraincalziti, valoarea temperaturii acestora purtand denumirea de temperatura de supraincalzire t_si.

Regimul termic al vaporizatorului racitor de aer, este determinat de caracteristicile constructive ale aparatului (materiale, dimensiuni geometrice, starea suprafetelor, etc.), de regimul de curgere (debite, respectiv viteze de curgere), modul de amplasare a ventilatoarelor care asigura circulatia aerului, etc. si este prezentat in figura 51.

Variatiile si diferentele de temperatura, caracteristice regimului termic sunt specifice, in functie de destinatia vaporizatoarelor racitoare de aer. Astfel, aceste valori sunt indicate separat pentru cazul racitoarelor de aer utilizate in conditionarea aerului si separat pentru cele utilizate in aplicatii ale frigului industrial.

Calculul regimului termic al vaporizatorului consta in determinarea tuturor temperaturilor caracteristice. La proiectarea vaporizatoarelor, un obiectiv important al calculului regimului termic, este determinarea temperaturii de vaporizare t₀, care reprezinta unul din parametrii interni de lucru ai instalatiei.

Temperatura aerului la intrarea in vaporizator tai, este cunoscuta, indiferent de tipul aplicatiei, reprezentand temperatura aerului, care trebuie mentinuta in incinta racita.

Temperatura aerului la iesirea din vaporizator a fost notata cu t_ae tae, iar variatia temperaturii aerului in vaporizator, sau gradul de racire a aerului, a fost notata cu Δt_a0.

Δt_a0 = t_ai t_ae [C] (60)

Variatia temperaturii aerului in vaporizator, are in cazul unor constructii uzuale si conditii de lucru normale, urmatoarele valori:

- Pentru racitoare de aer utilizate in climatizare:

Δt_a0 = 610C (61)

- Pentru racitoare de aer utilizate in aplicatii industriale:

Δt_a0 = 35C (62)

Temperatura aerului, la iesirea din vaporizator se poate determina cu relatia:

tae = tai - Δta0 [C] (63)

- Pentru racitoare de aer utilizate in climatizare:

t_ae = t_ai - 610 [C] (64)

- Pentru racitoare de aer utilizate in aplicatii industriale:

t_ae = t_ai - 35 [C] (65)

Diferenta dintre temperatura aerului la iesirea din aparat si temperatura de vaporizare, este la constructii uzuale si in conditii normale:

- Pentru racitoare de aer utilizate in climatizare:

t_ae t₀ = 610C (66)

- Pentru racitoare de aer utilizate in aplicatii industriale:

t_ae t₀ = 35C (67)

Diferenta totala de temperatura din vaporizator, este diferenta dintre temperatura aerului la intrarea in acesta si temperatura de vaporizare, iar in conditiile prezentate, valorile normale pentru aceasta sunt:

- Pentru racitoare de aer utilizate in climatizare:

Δt_tot0 = t_ai t₀ = 1220C (68)

- Pentru racitoare de aer utilizate in aplicatii industriale:

Δt_tot0 = t_ai t₀ = 610C (69)

Temperatura de vaporizare, se poate determina direct in functie de temperatura aerului la intrare si diferenta totala de temperatura in vaporizator:

t₀ = t_ai - Δt_tot0 [C] (70)

- Pentru racitoare de aer utilizate in climatizare:

t₀ = t_ai - 1220 [C] (71)

- Pentru racitoare de aer utilizate in aplicatii industriale:

t₀ = t_ai - 610 [C] (72)

Presiunea de vaporizare p₀, poate fi determinata usor, daca se cunoaste temperatura de vaporizare, cu ajutorul diagramelor sau tabelelor termodinamice, corespunzatoare

agentului de lucru din instalatie:

t₀ → p₀ (73)

Gradul de supraincalzire a vaporilor Δt_si , reprezinta diferenta dintre temperatura

vaporilor la iesirea din vaporizator si temperatura de vaporizare:

Δt_si = t_si t₀ [C] (74)

Valorile normale ale gradului de subracire, se incadreaza in intervalul:

- Pentru racitoare de aer utilizate in climatizare:

Δt_si = 58C (75)

- Pentru racitoare de aer utilizate in aplicatii industriale:

Δt_si = 36C (76)

Temperatura de supraincalzire, cea la care ies vaporii de agent frigorific din vaporizator, se poate calcula cu relatia:

t_si = t₀ + Δt_si [C] (77)

- Pentru racitoare de aer utilizate in climatizare:

t_si = t₀ + 58 [C] (78)

- Pentru racitoare de aer utilizate in aplicatii industriale:

t_si = t₀ + 36 [C] (79)

In figura 52 este prezentat un exemplu de regim termic normal, pentru un racitor de aer, utilizat in climatizare, iar in figura 53 este prezentat un exemplu de regim termic normal, pentru un racitor racit de aer, utilizat intr-un depozit frigorific pentru pastrarea produselor congelate, ambele vaporizatoare avand o constructie uzuala si conditii de lucru medii.

Pentru racitorul utilizat in climatizare:

Temperatura aerului la intrarea in vaporizator (temperatura din incinta): t_ai = 20C

Temperatura de vaporizare: t₀ = 4C

Diferenta totala de temperatura in vaporizator: Δt_tot0 = 20 4 = 16C

Temperatura aerului la iesirea din vaporizator: t_ae = 12C

Gradul de racire a aerului: Δ_ta0 = 20 12 = 8C

Diferenta dintre t_ae si t₀: 12 4 = 8C

Temperatura de supraincalzire: t_si = 11C

Gradul de supraincalzire: Δt_si = 11 4 = 7C