Sisteme de climatizare pentru asigurarea parametrilor de conservare, depozitare de durata

Sisteme de climatizare pentru asigurarea parametrilor de conservare, depozitare de durata

Conditionarea aerului pe timp de iarna

Tratarea complexa a aerului se relizeaza in agregate sau centrale de conditionare, realizate din schimbatoare de caldura si de masa precum si aparate auxiliare.

Pentru a fi adus la parametrii cu care sa poata fi introdus in spatiul de conditionat, aerul sufera o succesiune de transformari elementare.

Modul de tratare a aerului se alege in functie de conditii particulare (parametrii aerului din interior si exterior, regimul incaperii climatizate, sursa de frig disponibila, costuri, posibilitati de reglare si automatizare).

Dimensionarea aparatelor componente ale agregatului sau centralei se realizeaza considerandu-se atat regimul de functionare pe timp de vara cat si cel pe timp de iarna. Unele aparate se utilizeaza in ambele regimuri, iar altele numai in unul din cele doua regimuri.

In functie de sursele de substante nocive, din spatiul conditionat se poare alege unul din urmatoare sisteme de recirculare a aerului:

- Fara recirculare (inlocuirea completa a aerului viciat cu aer proaspat);

- Recirculare partiala (inlocuirea partiala a aerului viciat cu aer proaspat);

- Recirculare totala (fara introducere de aer proaspat).

In figura este prezentata una din numeroasele solutii posibile pentru conditionarea pe timp de iarna, cu recirculare partiala.

Schema aparatului de conditionare a aerului pe timp de iarna, cu recirculare partiala.

F - filtru, Pr - preincalzitor; CU - camera de umidificare; P - pompa; SP - separator de picaturi; I - incalzitor; Vt - ventilator

Procesele de lucru pot sa fie reprezentate in diagrama h-x a aerului umed.

Reprezentarea in diagrama h-x a proceselor de conditionare a aerului pe timp de iarna

-Aerul proaspat cu starea E si debituleste trecut prin filtrul F;

- Inainte de amestecarea cu aerul recirculat avand starea A, aerul proaspat (foarte rece pe timp de iarna) este incalzit in preincalzitorul Pr si astfel se evita ca starea de amestec sa rezulte in zona de ceata (sub curba j=100%);

- Preincalzirea EC se realizeaza la xE=constant, pana la o temperatura tC=2.5C;

- Din spatiul de conditionat este preluat debitulde aer recirculat, avand starea A;

- Aerul proaspat preincalzit C, se amesteca impreuna cu aerul recirculat A, iar starea M de amestec, va rezulta pe dreapta de amestec CA, intre A si C;

- Se defineste raportul de recirculare 'n', ca fiind raportul dintre debitul masic de aer recirculat si debitul masic de aer proaspat n=/

Entalpia si continutul de umiditate ale starii de amestec M, se pot determina cu relatiile:

- Aerul tratat care se introduce in spatiul de conditionat, avand starea B, trebuie sa poata prelua fluxul de caldura[kW] si fluxul de umiditate

[kg/s] care se degaja in spatiul respectiv;

- Directia procesului pe care il sufera aerul in camera de conditionat, este determinata pe diagrama de valoarea raportului de termoumidificare

- In consecinta starea B a aerului tratat, la intrarea in spatiul conditionat se va gasi pe dreapta care trece prin A si are inclinarea data de ;

- Pentru fixarea precisa a starii B, se poate impune de exemplu diferenta de temperatura fata de starea A a aerului la iesirea din spatiul conditionat;

- Odata determinata starea B, mai trebuie doar stabilita succesiunea de transformari elementare care poate sa aduca aerul din starea M in starea B;

- O semnificatie importanta are si punctul D', aflat la intersectia dintre verticala care trece prin B (x=xB=xD') si curba de saturatie (j=100%);

- Daca parametrii starii M sunt astfel incat xM<xB si hM>hD', atunci din starea M in starea B se poate ajunge asa cum s-a reprezentat in diagrama h-x, printr-o umidificare adiabatica MD, la hM=hD=constant, care se incheie atunci cand se atinge umiditatea absoluta a starii B (xD=xB), in camera de umidificare CU, urmata de incalzirea finala DB, la xD=xB=constant, pana la atingerea starii dorite B;

- In cazul in care starile M si D, respectiv D' sunt in alte sitiatii fata de cea prezentata, pot apare diverse variante pentru procesele din agregatul de conditionare, ca in figura, care pot determina chir si o alta constructie a agregatului.

Elemente de calcul a unui agregat de conditionarea aerului pe timp de iarna

Debitul masic de aer introdus de ventilator in spatiul conditionat se poate determina cunoscand marimile si

sau

Debitele de aer proaspat si recirculat se determina cunoscand, sau impunand valoarea raportului de recirculare n:

Sarcinile termice ale preincalzitorului Pr si incalzitorului final I, se determina cu relatiile:

Cantitatea de apa evaporata in camera de umidificare si preluata de aerul tratat , se determina cu relatia:

reprezinta aproximativ 1.2% din debitul de apa pulverizat in camera de umidificare , deci:

Pentru dimensionarea camerei de umidificare se considera o viteza a aerului wa=2.3m/s.

Sectiunea transversala S a camerei de umidificare se determina cu relatia:

H si B reprezinta inaltimea, respectiv latimea camerei de umidificar. Lungimea acestei camere se determina din conditia ca aerul sa ramana in contact cu apa pulverizata, cel putin o secunda.

Conditionarea aerului pe timp de vara

In figura este reprezentat un agregat pentru conditionarea aerului pe timp de vara, cu recirulare partiala:

Schema aparatului de conditionare a aerului pe timp de vara,

cu recirculare partiala.

F - filtru, V - vaporizator, C - compresor, K - condensator,

VL - ventil de laminare, I - incalzitor, Vt - ventilator

Procesele de lucru pot fi reprezentate in diagrama h-x, ca in figura urmatoare:

Reprezentarea in diagrama h-x a procesului de conditionare a aerului pe timp de vara

- A reprezinta starea aerului recirculat provenit din spatiul conditionat, iar E este starea aerului exterior;

- Aerul tratat in aparatul de conditionare, care se introduce in incinta, avand starea B, trebuie sa preia degajarile de caldura [kW] si de umiditate [kg/s];

- Directia procesului suferit de aer in incinta este data de raportul de termoumidificare ;

- Prin punctul A se traseaza dreapta avand raportul de termoumidificare e V, iar punctul B se fixeaza pe aceasta dreapta, adoptandu-se o anumita diferenta de temperatura fata de starea A;

- Aerul recirculat A se amesteca cu aerul proaspat E si rezulta starea de amestec M;

- De regula xM>xB, deci aerul va trebui sa fie uscat;

- Pe verticala din B, se fixeaza starea D avand xD=xB si jD=90.95%;

- Se uneste M cu D, iar apoi se prelungeste acest segment pana la intersectia cu j=100%, rezultand starea P, avand temperatura tP;

- Circuland aerul cu starea M peste o suprafata rece avand temperatura tP, se va obtine procesul de racire si uscare MD;

- Temperatura suprafetei tP se asigura cu o instalatie frigorifica, a carei temperatura de vaporizare va fi t0<tP;

- Ultimul proces din aparatul de conditionare va fi incalzirea finala DB.

Calculul agregatului de conditionare a aerului pe timp de vara se efectueaza asemanator cu cel a agregatului de conditionare a aerului pe timp de iarna, cu observatia ca pe timp de vara nu este necesara umidificarea.

Calculul necesarului de frig pentru conditionarea aerului cu programul CoolPack

Pe timp de vara una dintre cele mai importante functii ale aparatelor de conditionare a aerului o reprezinta racirea si uscarea aerului.

Programul de calcul CoolPack, are implementat un modul pentru calculul necesarului de frig pentru conditionarea aerului pe timp de vara, intr-un proces fara recirculare, care nu tine seama de umiditatea degajata in spatiul respectiv, considerat un spatiu locuibil (locuinta sau birou, fara degajari sensibile de umiditate), deci nu un spatiu tehnologic (unde pot sa apara procese de umidificare sau uscare).

Datele si rezultatele se introduc, respectiv se obtin in trei ferestre principale.

Fereastra 'HEAT TRANSFER THROUGH BUILDING PARTS', adica 'Patrunderi de caldura prin elementele constructiei', este reprezentata in imagine:

Fereastra 'HEAT TRANSFER THROUGH BUILDING PARTS'

In partea dreapta este schitata camera climatizata, iar datele de intrare care pot sa fie introduse in aceasta zona a interfetei sunt:

- TROOM [C] - temperatura aerului din camera;

- RHROOM [%] - umiditatea relativa a aerului din camera - RH provin de la (Relative Humidity);

- Length [m] - lungimea camerei (conform schitei);

- Width [m] - latimea camerei (conform schitei);

- Heigh [m] - inaltimea cemerei.

In aceasta zona este afisata si valoarea calculata a necesarului de frig datorat patrunderilor de caldura prin elementele construnctive ale camerei, Cu ajutorul dimensiunilor constructive ale camerei este calculat si afisat, in interiorul schitei camerei, volumul acesteia 'Volume' exprimat in [m3].

In partea stanga se pot introduce restul datelor, cu ajutorul carora se pot calcula patrunderile de caldura.

Partile constructive ale camerei sunt considerate:

- WALL 1.4 - Perelele 1.4 (conform schitei);

- FLOOR - podea;

- CIELING - tavan.

Pentru fiecare dintre aceste parti constructive se pot introduce urmatoarele elemente pe baza carora sa se calculeze patrunderile de caldura:

- k value [W/(m2K)] - valoarea coeficientului global de transfer termic;

- T [C] - valoarea temperaturii in zona respectiva, in afara camerei climatizate;

- AWIN [m2] - suprafata ferestrelor pentru peretele respectiv;

[W/m2] - densitatea de flux termic transmisa prin fereastra respectiva.

Fereastra 'AIR CHANGE (Infiltration)' adica 'Patrunderi de aer (infiltratii)' este reprezentata in imagine:

Datele de intrare pentru aceasta componenta a necesarului de frig, datorata patrunderii unui debit de aer exterior in camera cu aer conditionat, sunt urmatoarele:

- TAIR,IN [C] - temperatura aerului la intrarea in camera;

- RHAIR,IN [%] - umiditatea relativa a aerului la intrarea in camera;

- Air Change Factor (ACF) - numarul de recirulari in 24h, adica raportul dintre volumul total de aer infiltrat in incinta in 24h si volumul camerei;

- Volume flow [m3/h] - debitul volumic de aer introdus in camera, marime cate foate fi introdusa, daca se doreste, in locul numarului de recirculari.

Programul calculeaza si afiseaza debitul volumic, respectiv numarul de recirculari, in functie de cealalta marime introdusa si [kW], patrunderea de caldura datorata infiltrarii aerului in incinta.

Fereastra 'AUXILIARY LOADS' adica 'Sarcini termice auxiliare', este prezentata in imaginea alaturata:

Fereastra 'AUXILIARY LOADS'

Aceasta zona a interfetei programului permite calcularea necesarului de frig datorat unor sarcini termice auxiliare si anume:

- No. of persons [-] - numarul de persoane care isi desfasoara activitatea in interior;

- Work type - tipul de munca desfasurat in interior, care poate sa fie unul dintre urmatoarele trei:

- Light - munca usoara;

- Medium - munca medie;

- Heavy - munca grea;

- Fans [kW] - puterea ventilatoarelor 'Fans' din incinta, care se va regasi in camera sub forma de caldura degajata;

- Other heat developing equipment [kW] - alte echipamente care genereaza caldura;

- Lighting [W sau W/m2] - caldura produsa prin iluminarea 'Lighting' camerei.

Programul determina fluxul de caldura degajata de o persoana din camera exprimat in [W/person] adica '[W/persoana]', la temperatura interioara din camera si bineinteles, necesarul de frig datorat sarcinilor termice auxiliare prezentate, [kW]

Necesarul de frig global, sau total, pentru conditionarea aerului intr-o incinta [kW], este afisat intr-o fereastra separata asa cum se observa in figura:

Fereastra rezultatelor globale

In aceeasi fereastra, mai este afisata valoarea marimii SHR [%] 'Sensibel Heat Ratio' adica 'Raportul dintre caldura caldura senibila si caldura totala extrasa'. Introducerea acestei marimi este importanta atunci cand in vaporizator se produce uscarea aerului umed, fenomen care introduce o sarcina termica suplimentara. Situatia de referinta este cea in care vaporizatorul extrage numai caldura sensibila necesara pentru scaderea temperaturii aerului, cu mentinerea constanta a umiditatii absolute. Atunci cand suprafata vaporizatorului are temperatura mai mica decat temperatura punctului de roua, pe aceasta se depune o parte din umiditatea continuta de aer, sub forma de condens, realizandu-se implicit uscarea aerului. In acest caz se extrage in plus caldura latenta de condensare a cantitatii de apa depuse. Caldura totala extrasa se compune in acest caz din doua componente: caldura sensibila si caldura latenta. SHR se defineste matematic prin raportul dintre caldura sensibila si caldura totala extrasa. In consecinta SHR ofera o informatie utila privind cresterea necesarului de frig datorat uscarii aerului. O valoare de 100% pentru SHR indica faptul ca vaporizatorul raceste aerul, fara ca pe acesta sa se depuna umiditate. In acest caz temperatura suprafetei vaporizatorului este mai mare decat temperatura punctului de roua. O valoare de 80% pentru SHR, indica faptul ca 80% din sarcina totala a vaporizatorului reprezinta caldura sensibila necesara scaderii temperaturii aerului, iar 20% din sarcina totala a vaporizatorului reprezinta caldura latenta extrasa prin condensarea umiditatii depuse pe suprafata vaporizatorului. In acest caz temperatura suprafetei vaporizatorului este mai mica decat temperatura punctului de roua.

Instalatii pentru conditionarea aerului

Conditionarea aerului presupune evacuarea totala sau partiala a aerului din incinta si inlocuirea acestuia cu aer tratat corespunzator.

Instalatiile de conditionare a aerului por sa fie locale sau centralizate.

Principalele elemente ale unei instalatii de conditionare a aerului sunt urmatoarele:

- Priza de aer proaspat;

- Bateria de conditionare;

- Ventilatoare de aer;

- Retea de canale pentru distributia aerului proaspat (cu guri de refulare);

- Retea de canale pentru evacuarea aerului din incinta (cu guri de absorbtie);

- Aparate de masura control si automatizare.

Priza de aer proaspat se amplaseaza intr-o zona cu aer curat, la o oarecare inaltime pentru a evita aspirarea impuritatilor sau acoperirea cu zapada. Deschiderile pentru aer proaspat sunt echipate cu jaluzele pentru a impiedica patrunderea precipitatiilor atmosferice.

Bateria de conditionare este compusa din camere de amestec, baterii de preincalzire, reincalzire si racire a aerului, instalatie frigorifica, camera de umidificare, separatoare de picaturi si filtre de aer.

Circularea aerului peste baterii se poate realiza dupa mai multe scheme, dintre care in imagine este prezentata o varianta inovatoare propusa de firma Trane (imaginea din stanga) si una traditionala (imaginea din dreapta).

Scheme de circulare a aerului peste bateriile de conditionare

Reteaua de canale trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:

- Stabilitate hidraulica ridicata a retelei (distributia aerului in diferitele spatii sa nu fie influentata de conditii externe);

- Sa nu genereze curenti de aer in incaperile climatizate;

- Sa nu produca zgomote, sau sa nu permita propagarea acestora.

In figura sunt prezentate doua sisteme posibile pentru asigurarea recircularii aerului in agregatul de conditionarea aerului.

Dispunerea componentelor sistemului de conditionare

In figura este prezentata schema constructiva a unui aparat de conditionare a aerului, care poate sa functioneze si ca pompa de caldura. Inversarea rolului functional al celor doua schimbatoare de caldura este realizata de un ventil cu patru cai.

Schema unui aparat de conditionarea aerului cu pompa de caldura

C- compresor; V4C - ventil cu 4 cai;

V(K) - vaporizator pe timp de vara

respectiv condensator pe timp de iarna;

K(V) - condensator pe timp de vara

respectiv vaporizator pe timp de iarna;

Vt - ventilator de aer; TC - tub capilar