13. Răcitoare de aer şi baterii de răcire

Transcript

1 URăcitoare de aer prin suprafaţă 13. Răcitoare de aer şi baterii de răcire Prin răcitoare de aer (RA) se înţeleg aparatele schimbătoare de căldură destinate răcirii şi uneori uscării aerului, în circulaţie forţată [1, pg 164]. Aceste aparate pot fi construite şi pentru răcirea diferitelor gaze tehnologice, la presiuni normale, care conţin sau nu vapori ai diferitelor substanţe. 1. În funcţie de scopul răcirii aerului şi a condiţiilor de temperatură, se pot delimita câteva domenii de utilizare a RA: 1.1. condiţionarea de confort a aerului sau condiţionarea tehnologică în industrie (de exemplu în secţiile de mecanică fină, metalurgie, aparate de măsură, producţia de semiconductori etc); 1.2. condiţionarea tehnologică a aerului în industria alimentară; 1.3. răcirea aerului în camerele de depozitare a produselor răcite (refrigerate) sau tuneluri de congelare; 1.4. răcirea aerului în camerele de depozitare a produselor congelate; 1.5. răcirea aerului în instalaţii de temperaturi joase (camere de încercări climatice pentru autovehicule, aparate electrice, etc.). 2. După modul de răcire a aerului RA se împart în: 2.1. RA prin suprafaţă (uscate), 2.2. RA prin contact (umede) 2.3. RA combinate. Cele mai utilizate sunt RA prin suprafaţă. În aceste aparate aerul cedează căldură agentului frigorific sau agentului intermediar, care curge prin interiorul ţevilor. Aparatul, în ale cărui ţevi fierbe agentul frigorific, se numeşte RA cu acţiune directă (aparat cu răcire directă) şi are rolul vaporizatorului în schema instalaţiei frigorifice. Aparatele în ale căror ţevi curge apă rece sau saramură (agentul intermediar) se numesc cu acţiune indirectă. RA prin suprafaţă se pot executa din ţevi netede sau nervurate. Nervurarea permite în mod simţitor micşorarea rezistenţei termice la trecerea căldurii prin convecţie de la aer pe suprafaţa exterioară a ţevilor şi construcţia unui aparat mult mai compact. Într-o serie de cazuri apare justificată utilizarea ţevilor nervurate şi în interior. În Tabelul 13.1 se dau câteva date ce caracterizează condiţiile de funcţionare a RA şi domeniile corespunzătoare de utilizare. Nr. crt. Domeniul de utilizare Tabelul 13.1 Condiţii de funcţionare a RA Temp t 1 C Umidit relativă ϕ Temp pct de rouă t r C Coef de termoumid ε kj/kg Separ umid Acţ de uscare neces 1. Condiţionare de ,4 0, Roua mare confort şi tehnologică 2. Condiţionare ,7 0, roua mare 1

2 Răcitoare de aer şi baterii de răcire tehnologică în industria alimentară 3. Camere de ,8 0,9 (-8) (+3) zăpada mică depozitare produse refrigerate 4. Camere de ,85 0, depozitare produse congelate şi tunele de congelare 5. Instalaţii de temperatură scăzută În RA prin contact aerul este în contact direct cu agentul intermediar de răcire, cel mai adesea apa. Din punct de vedere constructiv ele se execută cu pulverizare sau cu umplutură stropită; se pot construi RA prin contact ce funcţionează în regim cu formare de spumă. Rãcitoare de aer prin suprafatã (uscate) prin contact (umede) combinate rãcire directã (ag frig) rãcire cu apã sau ag interm rãcire cu apã rãcire cu ag interm tevi netede tevi nervurate cu pulverizare cu umpluturã stropitã cu formare de spumã stropirea tevilor de sus sau lateral umezirea tevilor de jos prin spumare Figura 13.1 Clasificarea răcitoarelor de aer În RA de tip combinat agentul frigorific fierbe în interiorul ţevilor. Pe suprafaţa exterioară a ţevilor curge pelicular saramura sau altă soluţie, care are temperatura scăzută de solidificare. În RA ale instalaţiilor de condiţionare este posibilă stropirea ţevilor cu apă. Stropirea măreşte suprafaţa de schimb care primeşte căldură de la aer. În afară de aceasta, în RA de temperatură scăzută, agentul intermediar împiedică formarea stratului de zăpadă pe ţevi. În unele cazuri umezirea ţevilor se poate realiza cu ajutorul spumei, care se formează prin insuflarea aerului în cuva RA. Schema principală de clasificare a RA se prezintă în Figura Aparatele folosite pentru răcirea aerului în încăperi, în care lipseşte circulaţia forţată a aerului, se numesc baterii de răcire (BR). Răcirea aerului se poate realiza cu agent frigorific care fierbe sau cu agent intermediar. Ele se montează în partea superioară a încăperii unde aerul este mai cald. Schimbul de căldură la mişcarea liberă a aerului pe suprafaţa acestor utilaje în tehnică frigului se numeşte "răcire liniştită". 2

3 13.1 Răcitoare de aer prin suprafaţă Constructiv, există RA cu suprafeţe netede sau nervurate. URăcitoare de aer prin suprafaţă Umiditatea se depune pe pereţi sub formă de rouă dacă temperatura peretelui (t p ) este mai mică decât temperatura punctului de rouă (t r ) dar pozitivă; dacă t p < 0 C, umiditatea (apa) se depune sub formă de brumă (zăpadă) sau gheaţă. Din această cauză suprafaţa umedă, suflată de aer, este supusă unui proces intens de coroziune, ceea ce impune protecţie anticorozivă. RA cu ţevi netede se folosesc în prezent foarte rar. Utilizarea lor este justificată atunci când odată cu răcirea aerului este concomitent necesară şi uscarea lui pronunţată. În acest caz temperatura suprafeţei exterioare a aparatului cu ţevi netede fiind mai mică decât temperatura medie a suprafeţei exterioare nervurate permite o condensare mai puternică a umidităţii în procesul de răcire a aerului. Uneori este necesară utilizarea aparatelor cu ţevi netede din cauza umidităţii ridicate a aerului prelucrat şi respectiv a depunerii masive de zăpadă sau formarea gheţii pe suprafaţa ţevilor. Viteza aerului în secţiunea îngustă a RA cu ţevi netede se adoptă până la 6 m/s pentru temperaturi joase şi până la 12 m/s pentru temperaturi medii. RA cu ţevi netede cu saramură, executate din ţevi de 42x4 mm (OL), aflate în exploatare în prezent la unele frigorifere se înlocuiesc cu RA nervurate, ca fiind mai compacte şi cu un consum de metal mai redus. RA nervurate se execută de obicei din ţevi rotunde de OL, Cu sau Al. În unele cazuri, când este necesar a se influenţa sau modifica substanţial anumite caracteristici ale fasciculului de ţevi nervurate, cum ar fi compactitatea sau rezistenţa aerodinamică, se pot folosi ţevi plate, ovale sau ovoidale. În acest caz trebuie să se ţină cont că mărirea presiunii peste bari în interiorul ţevilor cu pereţi subţiri cu secţiune diferită de cea circulară, poate conduce la deformaţii şi la distrugere. După dispunerea ţevilor în fascicul se pot deosebi schimbătoare de căldură cu aşezarea ţevilor în coridor (în paralel) sau decalat (în şah/eşichier) Suprafeţe de schimb de căldură ale RA nervurate Clasificare: 1. După tipul nervurii utilizate în RA, suprafeţele nervurate pot fi: 1.1. lamelare; 1.2. nervurate prin înfăşurarea unei benzi metalice (spiralare); 1.3. prin roluire; 1.4. nervuri individuale presate (de formă circulară, dreptunghiulară, pătrată). 2. Din punct de vedere al contactului dintre ţeavă şi nervură se deosebesc: 2.1. nervuri monolit, când acestea se obţin prin turnare sau roluire ulterioară (rezistenţă termică de contact nulă); 2.2. nervuri aplicate, când acestea se confecţionează separat, adesea chiar din alt metal, şi se presează strâns pe ţeavă (poate apare rezistenţă termică de contact). 3

4 Răcitoare de aer şi baterii de răcire Tipurile de nervuri sunt arătate în Figura 13.2 şi Figura Nervura lamelară este mult utilizată în construcţia RA. În România se produc aparate cu acest tip de nervuri la Tehnofrig Cluj-Napoca, Frigocom Bucureşti, Frigotehnica Bucureşti, IAIC Alexandria. Nervurile fără guler se fac cu grosimea de minim 0,4 0,5 mm, din oţel moale, alamă, duraluminiu; nervuri cu guler ştanţat - din Al moale cu grosimea de 0,2 0,3 mm. Pasul nervurilor în aparatele care funcţionează la temperaturi pozitive ale suprafeţei se alege de la 2 la 4,5 mm. În aparatele care funcţionează în regim de formare a zăpezii, pasul nervurilor ajunge la mm. Ţevile RA cu nervuri lamelare sunt de obicei din Cu cu diametru de la 9x0,5 mm până la 18x1 mm sau din OL cu diametre de 18x2 până la 25x2,5 mm. Ţevile RA navale, care funcţionează cu apă de mare, se execută din melchior sau din alte aliaje asemănătoare. Figura 13.2 Tipuri de suprafeţe nervurate a. nervuri spiralate roluite; b. nervuri individuale presate; c. nervuri spiralate elicoidale; d. nervuri lamelare; 4

5 În unele cazuri pasul nervurilor la RA cu suprafeţele nervurate lamelare se micşorează până la 1,8 mm, nervurile se fac din Al cu grosimea de 0,2 0,3 mm. Pentru intensificarea schimbului de căldură prin convecţie pe suprafaţa exterioară, se folosesc tot mai mult lamele ambutisate în zigzag sau ondulat, perpendicular pe direcţia curentului pentru turbulizarea aerului (Figura ). URăcitoare de aer prin suprafaţă Figura 13.3 Tipuri de nervuri a. spiralată; b. roluită; c. individuală pătrată; d. individuală rotundă cu guler De o deosebită importanţă la fabricarea suprafeţei nervurate lamelare este asigurarea unui contact termic bun între nervură şi ţeavă. În cazul utilizării ţevilor din Cu, contactul termic bun se realizează prin dilatarea ţevii după introducerea nervurilor. O metodă de deformare plastică a ţevilor constă în trecerea unei sfere (bile), a cărei diametru este cu 0,5 mm mai mare decât d i. Această metodă dă rezultate bune şi în cazul utilizării unor nervuri mai groase din metal mai dur. Se mai pot utiliza nervuri subţiri din Al, la care se prevăd borduri (gulere) pentru mărirea suprafeţei de contact cu ţevile. Aceste gulere servesc în acelaşi timp pentru fixarea distanţei dintre nervuri la presarea lor pe ţeavă. Mărirea diametrului ţevii, în acest caz, este mai bine să se facă prin Figura 13.4 Tipuri de lamele ambutisate metode hidraulice, introducând în ţevi ulei cu presiunea până la 200 bar. Unele firme au elaborat tehnologia de 5

6 Răcitoare de aer şi baterii de răcire fabricare a suprafeţelor lamelare monolit din Al, cu acoperire anticorozivă exterioară (anodare, acoperire cu lac, etc.) Dacă se utilizează ţevi şi nervuri din OL, atunci, pentru îmbunătăţirea contactului dintre nervuri şi ţeavă, după asamblare se supun zincării la cald. Suprafeţele din ţevi din Cu şi nervuri din Cu sau alamă se pot lipi după asamblare. Legarea ţevilor în serpentină se realizează cu ajutorul coturilor care se lipesc sau se sudează. Unele firme execută îmbinarea ţevilor cu coturile cu ajutorul unor răşini epoxidice speciale, ceea ce micşorează durata operaţiilor şi permite utilizarea ţevilor din Al în locul celor de Cu. Pentru a micşora numărul îmbinărilor la formarea serpentinei plane se utilizează ţevi în formă de U. Suprafeţele nervurate prin spiralare se obţin prin înfăşurarea unei benzi din oţel, aluminiu sau cupru pe ţevi, cu ajutorul unor dispozitive montate pe maşini speciale sau chiar pe strunguri. Întrucât lungimea marginii exterioare a nervurii este cu mult mai mare decât la bază, partea interioară a benzii trebuie cutată (gofrată) preliminar sau chiar în procesul înfăşurării. Nervurile obţinute prin spiralare se utilizează într-o gamă variată de dimensiuni. În unele RA cu apă pentru instalaţii de condiţionare centrală sau locală se folosesc, de exemplu, ţevi din OL cu diametru Φ 22x2 cu nervuri spiralate din bandă de oţel cu înălţimea de 10 mm şi grosimea de 0,4 mm. Pasul nervurilor este de 4 mm. După înfăşurarea nervurilor, ţevile se supun operaţiei de zincare la cald. Pentru confecţionarea RA cu amoniac sau saramură, utilizate la frigorifere de mare capacitate, s-au folosit ţevi din oţel cu diametre de Φ 57x3,5, Φ 38x3 (38x2,25) şi 32x2,25 nervurate prin spiralare din bandă de oţel cu lăţimea de 30 mm şi grosimea de 1 mm. Pentru mărirea duratei de funcţionare a RA între două decongelări succesive, pasul nervurilor la primele ţevi pe direcţia curentului de aer este de 30 mm iar la celelalte de 20 mm. Suprafeţe nervurate prin roluire sau extrudare se obţin prin prelucrarea nervurilor din ţevi de Al sau Cu cu pereţii groşi. Prin roluirea ţevilor din Al cu grosimea iniţială a pereţilor de 5 mm se pot obţine suprafeţe cu nervuri de secţiune trapezoidală şi grosimea peretelui ţevii după roluire de 1,5 2 mm. În Tabelul 13.2 sunt redate câteva caracteristici ale suprafeţelor nervurate prin roluire. Diam ţevii Tabelul 13.2Unele caracteristici ale suprafeţelor nervurate prin roluire. Grosimea periferie nervurii baza Pasul nervurii Înălţimea nervurii S i1 S e1 Coef. de nerv (β) Masa specif. a supraf [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [m 2 /m] [m 2 /m] - [kg/m 2 ] 17,5x2 0,5 1,5 3,6 7,0 0,055 0,61 11,1 1,12 28x2 0,6 1,1 3,5 10,5 0,066 0,79 12,0 3,34 28x2 0,6 1,1 3 14,0 0,066 1,29 19,6 2,54 Suprafeţele nervurate, obţinute prin presarea individuală a nervurilor (nervuri separate), se utilizează foarte rar din cauza manoperei mari necesare pentru confecţionare. 6

7 Tipuri de nervuri spiralate Principalele tipuri de nervuri spiralate sunt prezentate în Figura URăcitoare de aer prin suprafaţă Figura 13.5 Nervuri spiralate Nervură tip 'L' (a.). Materialul benzii este supus deformării controlate, pentru obţinerea presiunii optime între piciorul nervurii şi ţeava de bază maximizându-se astfel proprietăţile de transfer termic. Gulerul nervurii măreşte considerabil protecţia la coroziune a ţevii de bază. Materialul nervurii poate fi aluminiul sau cuprul, iar pentru cel al ţevii de bază nu există restricţii. Nervură tip 'G' - (îngropată) (b.). Banda de tablă este înfăşurată într-un canal săpat în materialul ţevii şi fixată rigid prin acoperirea "rădăcinii" cu materialul ţevii de bază. Acest lucru asigură un contact bun între ţeavă şi nervură la temperaturi ridicate. Materialul nervurii poate fi aluminiul sau cuprul, iar cel al ţevii de bază oţelul carbon, oţelul Cr-Mo, oţelul inox, cuprul, aliajele din cupru, etc. Nervură tip 'KL' (c.). Produsă exact ca şi tipul 'L' cu deosebirea că ţeava de bază este uşor nervurată longitudinal înainte de aplicarea piciorului nervurii. La presarea piciorului nervurii, datorită rizurilor, este îmbunătăţit contactul, ceea ce duce la caracteristici superioare de transfer de căldură. Materialul nervurii poate fi aluminiul sau cuprul, iar pentru cel al ţevii de bază nu există restricţii. Nervură tip 'LL' (d.). Produsă exact ca şi tipul 'L' cu deosebirea că piciorul nervurilor se suprapune parţial şi acoperă complet ţeava de bază, mărind considerabil protecţia la coroziune a acesteia. Acest tip de nervură este folosit adesea în locul nervurilor extrudate (care sunt mai scumpe) în medii corozive. Materialul nervurii poate fi aluminiul sau cuprul, iar pentru cel al ţevii de bază nu există restricţii. 7

8 Răcitoare de aer şi baterii de răcire Nervură extrudată (roluită) înaltă (e.). Acest tip este format dintr-o ţeavă bimetalică compusă dintr-o ţeavă exterioară de aluminiu şi o ţeavă interioară din aproape orice material. Prin roluirea materialului ţevii exterioare se realizează o nervură cu excelente proprietăţi de transfer de căldură şi longevitate. Nervurile extrudate oferă o excelentă protecţie la coroziune a ţevii de bază. Materialul nervurii este aluminiul, iar pentru cel al ţevii de bază nu există restricţii. Nervură tip semipliată (f.). Această nervură se obţine prin înfăşurarea unei benzi de tablă pe ţeava de bază; în urma acestui proces rezultă o zonă pliată la piciorul nervurii. Nervura este apoi sudată de ţeava de bază. Materialul nervurii poate fi oţelul carbon/inox sau cuprul, iar cel al ţevii de bază oţelul carbon/inox sau aliaje de cupru Caracteristici geometrice ale RA cu suprafeţe nervurate Aceste caracteristici sunt următoarele: S n1 - suprafaţa nervurilor pentru 1 m liniar de ţeavă [m 2 /m] S b1 - suprafaţa ţevii între nervuri pentru 1 m liniar de ţeavă [m 2 /m] S e1 - suprafaţa exterioară totală pentru 1 m liniar ţeavă [m 2 /m] S i1 - suprafaţa interioară totală pentru 1 m liniar ţeavă [m 2 /m] β - coeficient de nervurare, A F - secţiunea frontală a aparatului [m 2 ] A a - secţiunea liberă de curgere a aerului [m 2 ] Secţiunea frontală a aparatului A F = B H, m 2 (vezi Figura 13.7). Pentru un ventilator B H. H = m s 1 (1.1) unde: m - număr de ţevi dintr-un plan perpendicular pe curentul de aer; Relaţiile de calcul pentru aceste mărimi la diverse tipuri de suprafeţe nervurate se prezintă mai jos. Nervuri lamelare: Nervuri spiralate: Nervuri roluite: S n1 = 2 u s 1 s 2 - π 4 (d2 e + d 2 g)= 2 u B n H n n - π 1 4 (d2 e + d 2 g) (13.2) S b1 = π d e u A a = A F ( ) u - δ n s 1 u s 1 - d e ( ) ( u - δ n ) = π d e 1 - δ n u = A F 1 - d e s 1 - δ n 1 u (13.3) (13.4) S n1 = 2 u π(d 2 - (D h) 2 ) 4 + π 0.6 h (d e h) (13.5) S b1 = π d e u u - D d δ n = π d e 1 - D e d δ n e u (13.6) A a = A F d e h δ n u 1 - s (13.7) 1 8

9 unde: S b1 = π d e u URăcitoare de aer prin suprafaţă S n1 = 2 u π 4 (D2 - d 2 e) (13.8) ( u - δ nb ) = π d e 1 - δ nb u (13.9) A a = A F d e + 2 h δ n u 1 - s (13.10) 1 B n, H n, n 1 - dimensiunile unei lamele (nervuri) cu n 1 orificii de diametru d e ; d g - diametrul găurii de uşurare; δ nb - grosimea nervurii la bază. O caracteristică importantă a oricărei suprafeţe nervurate o constituie coeficientul de nervurare: β = S e1 S i1 ; S i1 = π d i (pentru ţevi netede la interior) (13.11) Pentru suprafeţe cu nervuri spiralate sau roluite β are valori cuprinse obişnuit între 6 şi 12, iar pentru suprafeţe nervurate lamelare β = Tipul nervurilor şi caracteristicile lor geometrice influenţează hotărâtor asupra compactităţii şi masei RA. Se observă că cea mai mare compactitate o au suprafeţele nervurate lamelare în comparaţie cu suprafeţele nervurate spiralate sau roluite. Cele mai compacte sunt aparatele cu nervuri lamelare subţiri δ n = 0,2 mm şi pas mic u = (1,8 2) mm (S e /V = m 2 /m 3 ). Pentru RA industriale, care funcţionează în condiţii de formare a zăpezii, pasul nervurilor se măreşte la 5 mm, în cazul decongelării automate la fiecare ciclu de 2 2,5 ore, şi la 10 mm pentru RA cu o decongelare la intervale mai mari de timp. Pasul de mm al nervurilor spiralate este justificat numai la RA ale tunelelor de congelare (sau congelatoare), care funcţionează cu depuneri mari de umiditate. La RA utilizate pentru camere de păstrare, un asemenea pas este prea mare. Trecerea de la nervuri din oţel sau alamă la cele de aluminiu permite micşorarea masei aparatului de 1,5 2 ori pentru aceeaşi grosime a nervurilor şi acelaşi β. Uşurarea aparatului (RA) se poate realiza şi prin utilizarea unor nervuri mai subţiri. Masa cea mai mare pe m 2 de suprafaţă exterioară o au ţevile de oţel cu nervuri spiralate din bandă de oţel cu grosimea de 1 mm; masa cea mai mică o au ţevile din Al cu nervuri lamelare subţiri tot din Al. În Tabelul 13.3 sunt redate exemple de caracteristici tehnice ale diferitelor tipuri de suprafeţe nervurate, utilizate în construcţia RA. Tabelul 13.3 Caracteristici tehnice ale diferitelor tipuri de suprafeţe nervurate Domeniul de utiliz a RA RA pentru condiţionare RA cu depunere de rouă RA cu depunere de brumă: decong rară Tipul nervurării Mat ţeavă Mat nerv Pas nerv u mm Gros nerv δ n mm Dim ţeavă mm S/V m 2 /m 3 Al Al 2 0,2 10x ,4 Cu 2 0,2 10x0, ,6 alam 3,4 0,4 12x0, ,9 ă Lamelară Cu Al 5 0,4 16x ,8 M/S kg/m 2 9

10 Răcitoare de aer şi baterii de răcire Domeniul de utiliz a RA Tipul nervurării Mat ţeavă Mat nerv Pas nerv u mm Gros nerv δ n mm Dim ţeavă mm S/V m 2 /m 3 decong frecventă 10 0,4 16x ,9 RA cu apă OL OL 4 0,4 22x ,2 RA cu NH 3 Spiralată 20 1,0 38x2, ,9 sausaramură RA Aerofin Cu Cu 3,2 0,2 16x0, ,5 RA cu apă Roluită Al Al 3,6 0,7 17,5x ,1 M/S kg/m Caracteristici constructive şi aerodinamice ale RA RA prin suprafaţa actuale sunt executate în majoritatea cazurilor sub forma unui fascicul de ţevi rotunde nervurate, amplasat într-o carcasă metalică. Circulaţia aerului prin aparat se realizează cu ajutorul unui ventilator: axial - în cazul când rezistenţele aerodinamice a RA sunt mici, şi centrifugal - în cazul asigurării acoperirii unei căderi mai mari de presiune provocate nu numai de fasciculul nervurat, dar şi de filtre, jaluzele, canale de distribuţie, etc. Trebuie să se aibă în vedere că tendinţa de a mări viteza aerului în secţiunea de curgere a aparatului, pentru îmbunătăţirea schimbului de căldură, poate conduce la o asemenea creştere a puterii ventilatorului încât echivalentul termic al puterii lui devine comparabil cu sarcina termică primită de RA. Această posibilitate creşte cu micşorarea temperaturii aerului prelucrat când creşte corespunzător şi densitatea lui. La alegerea vitezei aerului în RA, legată direct de debitul volumic, se poate utiliza metoda reprezentată în Figura În grafic, curba 1 arată dependenţa frigului produs prin vaporizarea agentului în funcţie de debitul volumic; curba 2. dependenţa puterii ventilatorului în funcţie de debitul de aer şi curba 3. puterea frigorifică reală utilă în camera frigorifică, ţinând cont de echivalentul puterii consumate de ventilator. Dacă ventilatorul şi motorul său electric de acţionare sunt amplasate în camera frigorifică, atunci se va lua în calcul puterea electrică consumată de electromotor; dacă electromotorul ventilatorului este plasat în exteriorul camerei frigorifice, atunci se va lua în calcul puterea de la arborele ventilatorului. Φ kw V opt P kw V m 3 /h Figura 13.6 Alegerea vitezei aerului în RA în funcţie de debitul volumic Numărul de rânduri de ţevi în RA poate varia în limite largi. Numărul de rânduri de ţevi în lungul curentului de aer este de obicei 4 12, în aparatele verticale, cu amoniac ajunge la 18, iar în cele orizontale În RA cu freon de obicei se utilizează ţevi din Cu cu diametrele 10x1 (10x0,5); 12x1 (12x0,8); 15x1 (15x0,8); 16x0,8 şi 18x1,5 (18x1) mm; iar cu amoniac sau saramură - ţevi din OL cu diametre de 24x2; 25x2,5; 30x2,5; 38x3. 10

11 URăcitoare de aer prin suprafaţă Se recomandă alegerea diametrului ţevilor în funcţie de puterea frigorifică a aparatului. Astfel de exemplu pentru RA cu freon de Φ 0 6 kw ) se recomandă ţevi din Cu cu Φ = 10 mm; pentru Φ 0 = 6 12 kw, ţevi de 12 mm, iar pentru Φ 0 > 12 kw, ţevi de mm. Lungimea unei serpentine de agent (lungimea dintre distribuitorul de lichid şi colectorul de vapori) este diferită, dar situându-se de obicei în intervalul 5 15 m. În RA cu amoniac sau saramură lungimea serpentinei ajunge la m. Lungimea maximă a serpentinei RA cu freon şi răcire directă Tabelul 13.4 Valori recomandate pentru (ρw) opt şi (L/d i ) ale RA cu HCFC 22 Densit flux q si W/m 2 Viteza masică optimă (ρw) opt kg//m 2 s Raportul optim (L s /di) opt se determină din condiţia care recomandă căderea admisibilă de temperatură la fierberea freonilor în lungul serpentinei de max. 4 5 C. Aceasta corespunde unei căderi de presiune la vaporizarea freonilor HFC134a de aproximativ 0,5 bar şi HCFC22 de aproximativ 0,8 bar. Căderea de presiune depinde de viteza masică a freonului şi de densitatea de flux termic. Considerând cerinţele amintite anterior, se recomandă (ρw) a freonilor în ţevile RA şi care sunt indicate în Tabelul Mărimile date în acest tabel sunt obţinute din experimentările pe RA mici, care au coturi în medie după fiecare 0,5 m de ţeavă dreaptă. În RA de putere mare, la care coturile se pun după 1,5 m de ţeavă dreaptă, datele din Tabelul 13.4 trebuie mărite cu 40 50%. Folosind recomandările privind (ρw) opt şi (L/di) opt, se poate determina lungimea maximă admisibilă a unei ţevi L (între colectorul de intrare şi colectorul de ieşire): L r d i (ρw) [m] Φ 4 n c q 0 = π Si 4 d i 2 r n (ρw) = π d i L q Si (13.12) c 1 unde: n c = x 2 - x - factorul de recirculare; 1 L creşte cu creşterea lui (ρw) şi se micşorează cu creşterea lui q Si. Pentru distribuţia uniformă a agentului frigorific lichid în serpentinele RA, se montează distribuitoare speciale de diferite tipuri. În unele construcţii se foloseşte forţa centrifugă a lichidului ce vine de la VL. Sub influenţa acestei forţe lichidul umple uniform ţevile care pleacă de la capul de distribuţie. La alte tipuri, agentul frigorific după o laminare incompletă într-un dispozitiv, se trimite printr-un ajutaj, unde capătă o viteză mare. Vaporii se amestecă bine cu lichidul şi amestecul se distribuie uniform în ţevi. 11

12 Răcitoare de aer şi baterii de răcire Pasul ţevilor se recomandă a se adoptă în funcţie de coeficientul de nervurare β necesar şi coeficientului de eficacitate a nervurilor E. În RA destinate unei uscări bune a aerului, coeficientul de nervurare trebuie adoptat max , iar coeficientul de eficacitate a nervurilor E 0,85. În aparatele în care uscarea intensă a aerului nu d mm β 12 pentru u în mm β 25 pentru u în mm Tabelul 13.5 Valori recomandate pentru pasul ţevilor este de dorit, coeficientul de nervurare β poate fi considerat egal cu iar coeficientul de eficacitate a nervurilor E = 0,5 0,6. Pentru realizarea unor asemenea β se recomandă adoptarea a şapte paşi normalizaţi ai ţevilor, determinaţi de dimensiunile razelor coturilor (curbelor) şi anume: s 1 = 25; 30; 38; 45; 50; 60; 70 mm. În Tabelul 13.5 se indică diferite combinaţii ale paşilor s 1, pasului u şi diametrul ţevii d, care să asigure două valori ale coeficientului de nervurare β = 12 şi β = 25 (sau apropiate de acestea). Valorile precise ale coeficientului de nervurare β în aparatele cu nervuri lamelare se pot determina cu relaţia: 2 s 1 s 2 - π 4 d e 2 1 u + πde 1 - δ n u β = (13.13) πd i La dispunerea ţevilor în coridor este raţională adoptarea lui s 1 = s 2. La dispunerea în 3 şah adesea se utilizează s 2 = 2 s 1 0,866 s 1. RA cu amoniac sau saramură de putere mare se pot fabrica din ţevi de OL Φ 38x3,5 nervurate cu bandă spiralată din OL 30x1 mm. Deosebirea importantă este aceea că pasul nervurilor, în funcţie de condiţiile de funcţionare ale diferitelor aparate, variază între 12 şi 30 mm. Ca element de bază al RA se propune utilizarea secţiei normalizate construită din ţevi U cu diametrul de Φ 12x0,8 sau 16x0,8 mm şi nervuri din aluminiu, fixate prin deformare plastică a ţevii cu lichid sub presiune. Dimensiunile nervurii pentru două ţevi cu Φ = 12 mm: 60x30 şi 75x37,5 mm iar pentru două ţevi cu Φ = 16 mm: 80x40 şi 100x50 mm. Grosimea nervurii: 0,3 mm. Nervura are două orificii bordurate; dar în cazul unei producţii mari de RA se pot utiliza nervuri cu 4, 6 sau mai multe găuri. Utilizarea secţiilor normalizate permite micşorarea substanţială a masei aparatului şi organizarea producţiei în flux continuu. 12

13 URăcitoare de aer prin suprafaţă Figura 13.7 Schema generală a unui răcitor de aer cu vaporizare directă şi nervuri lamelare În Figura 13.7 este reprezentat RA construit din ţevi de Cu 16x0,8 mm, cu nervuri din Al cu guler şi u = 5 mm. Fiecare nervură cuprinde numai două ţevi. Fasciculul este compus din ţevi în forma de U, lungimea fiecărei ţevi desfăşurate fiind de 1420 mm. Lungimea totală a ţevilor este de 57 m, iar partea nervurată are 50 m. Dispunerea ţevilor este în şah cu s 1 = s 2 = 48 mm. Numărul de secţii pentru agentul care funcţionează în paralel este 5. Coeficientul de nervurare β = 20. Suprafaţa exterioară de schimb de căldură se modifică numai prin modificarea pasului nervurilor. Figura 13.8 Răcitor de aer de pardoseală 1. ventilator axial; 2. carcasa vaporizatorului; 3. vaporizator; 4. gură aspiraţie aer; 5. electromotor ventilator; 6. racorduri intrare/ieşire amoniac 13

14 Răcitoare de aer şi baterii de răcire În Figura 13.8 este prezentat un răcitor de aer de pardoseală. În cazul amoniacului suprafaţa de transfer de căldură este formată din ţevi din OL Φ 22x1,2 mm şi nervuri lamelare cu dimensiunea de 130x130x0,3. Fiecare nervură cuprinde un fascicul de 4 ţevi dispuse în coridor cu paşii s 1 = s 2 = 65 mm. Pasul nervurilor în primele rânduri de ţevi este de 15 mm, iar în ultimele de 7,5 mm. Suprafaţa de schimb de căldură este zincată. În cazul freonilor RA este executat din ţevi Φ 16x0,8 mm şi nervuri din Al cu grosimea de 0,4 mm. Dimensiunile nervurilor sunt 80x40, 80x74 şi 80x154 mm pentru fascicul de 2, 4 respectiv 8 ţevi dispuse în coridor cu paşii s 1 = s 2 = 40 mm. Fiecare RA este constituit din fascicule de ţevi de răcire (cu agent frigorific sau intermediar), ventilator axial cu electromotor, distribuitor, încălzitoare electrice, cuvă pentru colectarea apei de la degivrare, capac şi elemente de prindere. 14

15 URăcitoare de aer prin suprafaţă O utilizare tot mai mare o au RA suspendate (Figura 13.9). Aparatele de acest tip nu ocupă din volumul util de marfă din cameră, schema de distribuţie a aerului este mai simplă, iar în frigoriferele monoetajate şi schema de distribuţie a conductelor. RA sunt formate din trei părţi, legate între ele şi montate pe două grinzi comune, de aparatul este atârnat (suspendat) de tavanul camerei. În zona mijlocie sunt dispuse două ventilatoare, iar în cele două laterale fasciculele nervurate, formate din 4 secţii fiecare. Fasciculul este format din ţevi de OL cu Φ 25x2,5. Nervurile sunt lamelare, din OL, cu bordură (guler). Dimensiunile nervurii 460x140x0,4. O nervură cuprinde două şiruri de ţevi cu 6 ţevi în fiecare. Pentru distribuţia uniformă a aerului în volumul camerei, la ieşirea din răcitor pot fi montate dispozitive de dirijare. Figura 13.9 Răcitor de aer suspendat 15

16 Răcitoare de aer şi baterii de răcire Seria de RA LEX Helpman conţine 30 de modele de uz general cu 1 până la 4 ventilatoare ventilatoare care suflă aerul, pasul nervurilor de 4 sau 7 mm, domeniul de puteri frigorifice între 1,5 şi 40 kw, domeniul de temperaturi de lucru de la +5 C până la - 35 C şi pot fi folosite cu agenţi halogenaţi ca R 404A, R 507, HFC 134a şi HCFC 22 pentru camere de refrigerare sau congelare. Seria de RA PLV Helpman conţine 12 de modele de uz general destinate montării pe tavan sau pe pereţi, au 1 sau 2 ventilatoare care suflă aerul, înălţime de doar 15 cm, pasul nervurilor de 4 sau 6 mm, domeniul de puteri frigorifice între 400 şi 1600 W, domeniul de temperaturi de lucru de la +5 C până la - 35 C şi pot fi folosite cu agenţi halogenaţi ca R 404A, R 507, HFC134a şi HCFC22 pentru camere de refrigerare sau congelare. Figura Răcitor de aer tip LEX - Helpman Figura Răcitor de aer tip ZLA - Helpman Seria de RA ZLA Helpman conţine 54 de modele de uz industrial cu 1 până la 4 ventilatoare care aspiră aerul, serpentine din oţel galvanizat, ţevi dispuse după Figura Răcitor de aer tip PLV - Helpman pătrate cu latura de 60 mm, pasul nervurilor de 6, 8, 10 sau 12 mm, domeniul de puteri frigorifice între 4 şi 125 kw (circulaţie cu pompe a amoniacului), domeniul de temperaturi de lucru de la +5 C până la -40 C şi sunt folosite cu amoniac pentru camere de refrigerare sau congelare. 16

17 URăcitoare de aer prin suprafaţă Seria THOR Helpman (Figura 13.13) este o serie largă şi flexibilă de RA ce conţine 97 de modele de uz industrial cu 1 până la 7 ventilatoare care suflă sau aspiră aerul, debite volumice de aer de la 4200 la m 3 /h, pasul nervurilor de 4, 6, 7, 8 sau 10 mm, domeniul de puteri frigorifice între 5 şi Figura Răcitor de aer tip THOR - Helpman 115 kw, domeniul de temperaturi de lucru de la +5 C până la -40 C şi pot fi folosite cu agenţi halogenaţi ca R 404A, R 507, HFC134a şi HCFC22 pentru camere de refrigerare sau congelare. Funcţionează de obicei cu detentă directă dar pot fi executate şi pentru circulaţie cu pompe sau cu glicol. Seria THORD Helpman (Figura 13.14) este o serie largă şi flexibilă de RA cu dublă refulare ce conţine 30 de modele de uz industrial cu 1 până la 5 ventilatoare (cu turaţii de 1500 sau 1000 rpm) care suflă aerul, debite volumice de aer de la 5000 la m 3 /h, pasul nervurilor Figura Răcitor de aer tip THORD - Helpman de 4 sau 7 mm, domeniul de puteri frigorifice între 4,5 şi 75 kw, domeniul de temperaturi de lucru de la +5 C până la -40 C şi pot fi folosite cu agenţi halogenaţi ca R 404A, R 507, HFC134a şi HCFC22 pentru camere de refrigerare sau congelare. Funcţionează de obicei cu detentă directă dar pot fi executate şi pentru circulaţie cu pompe sau cu glicol Particularităţi şi exemple de calcul termic şi aerodinamic al RA de suprafaţă Elementul esenţial pentru calculul RA de suprafaţă este determinarea coeficientului de convecţie de partea agentului frigorific sau agentului intermediar şi de partea aerului. La alegerea formulei pentru calcul lui α a trebuie să se aibă în vedere, ca pentru fascicule de ţevi cu nervuri rare şi relativ joase (nervuri circulare individuale sau spiralate) se poate utiliza relaţia: Nu a = c c s c z (d e /u) -0,54 (h/u) -0,14 Re m a Ψ (13.14) Ψ = 1-0,058 (mh) (13.15) Dimensiunea determinantă este pasul nervurii u. În cazul nervurilor dese şi înalte (nervuri lamelare) este indicat să se considere schimbul de căldură ca în cazul curgerii prin canale înguste. În special acestea se referă la suprafeţe nervurate lamelare, care metodologic este indicat să se considere 17

18 Răcitoare de aer şi baterii de răcire nu ca ţevi cu nervuri ci ca lamele prevăzute cu ţevi [2]. În acest caz, pentru aşezarea în coridor a ţevilor, calculul lui α a trebuie efectuat cu relaţia: Nu a = c Re m a (L/d ec ) n (13.16) Pentru ţevi cu nervuri rotunde, în această formulă L u δ n reprezintă distanţa dintre marginea de ieşire a nervurii din primul rând de ţevi şi marginea de ieşire a nervurii din ultimul rând de ţevi pe direcţia aerului. Diametrul echivalent se determină cu relaţia: d e d ec = 2(s 1 - d e )(u - δ n ) (13.17) (s 1 - d e ) + (u - δ n ) Pentru fascicul decalat, valorile găsite pentru α a trebuie majorate cu 10%. Există o serie de relaţii empirice pentru determinarea lui α a. Ca urmare a simplităţii ei prezintă Figura interes ecuaţia lui Metumura şi Udzuhasi pentru fascicule Elementele geometrice decalate cu nervuri lamelare. pentru calculul α a = 18 w 0,578 [W/(m 2 K)] secţiunii libere (13.18) de Ea a fost obţinută pentru fasciculul cu u = mm ; δ n = curgere a aerului 0,2...1 mm; d e = mm; s 1 = mm; s 2 = mm; z 4. Mărimea coeficientului de eficacitate a nervurii E = θ n necesară în calculul suprafeţei θ 0 poate fi determinată cu ajutorul relaţiei E = tanh(mh) mh, unde m [1/m] - parametrul nervurii. Calculul mărimii m se face în funcţie de tipul răcirii aerului şi anume: la răcirea uscată: 2 α a m = (13.19) δ n λ n la depunerea umidităţii sub forma de rouă: 2 α a ξ m = (13.20) δ n λ n la depunerea umidităţii sub formă de zăpadă: 2 m = 1 α a ξ + δ (13.21) z δ λ n λ n z Coeficientul convenţional de convecţie, raportat la întreaga suprafaţă exterioară, considerând şi depunerea umidităţii α a ' este: la răcirea uscată α' a = α a la răcirea umedă (depunere de rouă) α' a = ξα a 1 la răcire cu depunere de zăpadă. α' a = 1 α a ξ + δ z λ z Coeficientul de depunere a umidităţii pe suprafaţa exterioară cu temperatura t p este: 18 s 1

19 URăcitoare de aer prin suprafaţă pentru t p > 0 C: ξ = x ai - x ae t ai - t ae (13.22) pentru t p < 0 C: ξ = x ai - x ae t ai - t ae (13.23) Indicii "i" şi "e" corespund stărilor iniţială şi finală a aerului. Grosimea stratului de zăpadă δ z este determinată din condiţiile de funcţionare a aparatului iar coeficientul de conductibilitate termică λ z depinde de densitatea ei (vezi Tabelul 13.6). În cazul decongelărilor dese λ z = 0,12 W/(m 2 K) Tabelul 13.6 Coeficientul de conductibilitate termică λ z în funcţie de densitatea zăpezii ρ z [kg/m 3 ] λ z [W/(m 2 K) 0,116 0,174 0,232 0,348 Analog cu coeficientul de eficacitate a nervurii s-a introdus noţiunea de coeficient de eficacitate a întregii suprafeţe nervurate E n = θ n θ 0, considerând şi rezistenţa termică a contactului dintre ţeavă şi nervură. La valori mari ale lui E, un contact bun între nervură şi ţeavă şi la coeficienţi mari de nervurare: E n E. În celelalte cazuri: E n = E C k EC k (13.24) β C k - coeficient care ţine cantitatea de rezistenţa termică de contact. Pentru nervuri roluite şi înfăşurate sau presate cu metalizare ulterioară C k = 1. Pentru a demonstra relaţia precedentă, se consideră că fluxul termic total Φ trece prin suprafaţa nervurilor şi prin suprafaţa de bază: Φ = Φ n + Φ b (13.25) αθ 0 E n S e = θ 0ES n 1 + αθ 0 S 0 (13.26) α + R c ES n E n S e = + S 1 + αr 0 (13.27) c 1 Dacă se împarte relaţia precedentă prin S i şi se notează cu C 1 + αr k se obţine: c Dacă se ţine cont că: S 0 S i 1 şi S n S i β - 1 rezultă: βe n = E S n S i C k + S 0 S i (13.28) E n = EC k 1-1 β + 1 β E n = EC k EC k (13.29) β Pentru nervuri cu guler, presate pe ţeavă degresată, la umplerea jocului posibil format cu condens din aer: C k = 0,95...0,98; în celelalte cazuri, în funcţie de calitatea execuţiei: 19

20 Răcitoare de aer şi baterii de răcire După cum se vede din tabel, cu creşterea lui β se micşorează sensibil C k şi prin urmare şi E n. Din această cauză în aparatele cu valori mari ale lui β este de dorit metalizarea suprafeţei după aplicarea nervurilor pe ţeavă. Temperatura de fierbere a agentului frigorific t 0 se poate determina din relaţia: unde: t p - t 0 1 = 1 - Δt m 1 E + β α (13.30) a' n α i t p - temperatura medie a suprafeţei exterioare în C; Δt m - diferenţa medie de temperatură dintre aer şi agentul frigorific; Rezolvarea ecuaţiei precedente este prezentată grafic diagrama semilogaritmică din Figura în care este dată dependenţa t p - t 0 Δt m valori ale lui E n. Tabelul 13.7 Valorile coeficientului C k în funcţie de β β C k 0,7...0,86 0,6...0,8 0,55...0,75 0,5...0,7 (tp-t0)/dtm E = 0.4 E = 0.6 E = 0.8 E = beta*alfaa'/alfai Figura ân funcţie de β α a' α i pentru diferite 13.2 Răcitoare de aer prin contact Aceste aparate [1, pg.189] se folosesc de obicei la condiţionarea aerului, mai ales în cazurile când se prelucrează debite mari de aer. Ca avantaje ale acestor tipuri de RA se pot enumera: construcţia relativ simplă şi posibilitatea de reglare a temperaturii şi umidităţii aerului prin variaţia temperaturii agentului intermediar (apei) de pulverizare. De asemenea temperatura agentului intermediar la aceste tipuri de RA este cu câteva grade mai mare decât la RA prin suprafaţă, ceea ce micşorează ireversibilitatea externă, reducând consumul specific de energie. 20

21 URăcitoare de aer prin contact Răcitor de aer cu pulverizare Construcţie şi funcţionare Figura Răcitor de aer cu pulverizare 1. separator intrare (SI); 2. cameră pulverizatoarelor (CP); 3. ventilator radial; 4. cuvă; 5. preaplin (PP); 6. ventil cu plutitor (VP); În Figura se prezintă construcţia RA cu pulverizare, cu mişcare orizontală a aerului. Aerul intră în aparat prin separatorul de intrare SI, care serveşte pentru împiedicarea stropirii încăperii cu apă în cazul opririi ventilatoarelor, şi pentru uniformizarea curentului de aer în secţiunea de curgere. Separatoarele se execută de obicei din lamele (plăci) dispuse în zig zag. Apa este pulverizată în camera CP prin intermediul unor duze D. Numărul de rânduri de duze nu depăşeşte valoarea 3. Numărul de duze într-un rând pe m 2 de secţiune transversală este n = bucăţi. Duzele sunt de tip centrifugal cu alimentare tangenţială cu apă, cu diametrul orificiului de ieşire de mm. Debitul unei duze se poate calcula aproximativ cu relaţia: m w = 0, Ψ d 2 p 0,5 [kg/s] (13.31) unde: Ψ - coeficient de debit (pentru cele mai utilizate duze, după datele experimentale Ψ = 0,3...0,5); d - diametrul orificiului pulverizatorului, m; p - presiunea apei înaintea duzei, Pa. Duzele din primul rând pulverizează apa în sensul curentului de aer, iar cele din rândurile doi şi trei în contracurent. Dimensiunile camerei pot varia în limite largi, secţiunea transversală atingând în unele cazuri m 2. Viteza aerului în cameră variază între 2 şi 3 m/s. Pentru a preveni posibilitatea antrenării picăturilor de apă de către aer, la capătul camerei se prevede separator de ieşire SE. Uneori aceste separatoare se stropesc cu apă rece (1,5...3 m 3 /h şi m de lăţime a camerei) pentru a apropia procesul de răcire a aerului de procesul în contracurent şi a mări coeficientul de răcire. Aerul este aspirat de ventilatorul V, montat după cameră (de obicei ventilator centrifugal). Apa, pulverizată prin duze, neevaporată, cade în cuva (bazinul) 4, de unde este trimisă în vaporizatorul instalaţiei frigorifice. În bazin este o pâlnie de preaplin PP, pentru a împiedică creşterea nivelului apei, şi de asemenea ventilul cu 21

22 Răcitoare de aer şi baterii de răcire plutitor VP, pentru alimentare cu apă proaspătă (de la reţea) în vederea compensării pierderilor de apă şi eventual a celei evaporate. Lungimea camerei este determinată de distanţele admisibile între registrele de pulverizare şi dintre acestea şi separatoare. Distanţa dintre registre care pulverizează apă în acelaşi sens este de mm; distanţa dintre separatoare şi registrele de pulverizare în sens contrar alăturat: mm; grosimea SI: mm (de-a lungul curentului de aer); grosimea SE: mm. Având în vedere dimensiunile recomandate, rezultă lungimea aproximativă a camerelor de pulverizare inclusiv şi separatoarele: pentru două registre de pulverizare în sensuri contrare 2000 mm; pentru două registre de pulverizare, ambele în contra sensului de curgere a aerului 2500 mm; pentru trei registre de pulverizare 2700 mm. RA cu pulverizare pot fi executate şi cu mişcarea aerului în cameră de jos în sus. Procesul modificării stării aerului în RA cu pulverizare este reprezentat în diagrama i-x din Figura S-a demonstrat, că direcţia procesului în RA cu pulverizare poate fi conventional determinată de starea Y cu ϕ = 100% şi temperatura egală cu cea a apei la ieşirea din aparat (t w2 ). În acest caz se presupune că aerul la ieşire din cameră este în contact cu apa, deja încălzită în curentul de aer, adică în camera de pulverizare predomină curgerea în echicurent a aerului şi a picăturilor de apă. i [kj/kg] i w2 t w2 t w1 Δi i 2 i 1 1 x aw 2 Y Y ξ Y D ξ D 2 D U 2 ϕ 1 U 1 t 1 ϕ = 100% t u1 -t w2 t u1 -t w1 Δt w x [kg/kg] Figura Diagrama i-x cu variaţia parametrilor aerului în RA cu pulverizare Procesul real este caracterizat de o valoare mai mare a coeficientului de termoumiditate ε, adică după linia 1D. În acest caz starea finală a aerului corespunde nu punctului 2 Y ci punctului 2 D. Abaterea procesului real 1D faţă de cel convenţional 1Y se poate considera cu ajutorul coeficientului de abatere "a". Dacă pentru înclinarea liniei procesului se foloseşte coeficientul de depunere a umidităţii ξ atunci: ξ = Q tot Q = Δi usc c p Δt = ε (13.32) ε - r H2O a = ξ D i 1 - i t 2Y ) = ξ y c p (t 1 - t 2D ) cp(t i 1 - i = t 1 - t 2Y 2 t 1 - t (13.33) 2D S-a arătat că factorul hotărâtor care influenţează asupra coeficientului de abatere este postumidificarea aerului. Din această cauză, metodic, procesul real în RA, se poate considera convenţional compus din două transformări care se succed: 22

23 1. procesul 1-2 Y (răcirea şi uscarea aerului) şi 2. procesul 2 Y - 2 D (umidificarea adiabatică a aerului). URăcitoare de aer prin contact Metoda de calcul În calculul RA cu pulverizare, cel mai adesea se pot întâlni următoarele două cazuri [1, pg 195]: 1. Sunt date: starea iniţială a aerului, cantitatea de căldură şi umiditate necesare de scos din aer în aparat. Se determină: starea finală a aerului, temperaturile iniţială şi finală a apei, debitele de aer şi apă ce trec prin aparate. 2. Sunt date: starea iniţială a aerului, temperatura iniţială a apei, debitele de aer şi apă care trec prin aparat. Se determină: starea finală a aerului şi temperatura finală a apei, precum şi fluxurile de căldură şi umiditate schimbate. În ambele cazuri este indicat ca în calcul să se folosească doi coeficienţi empirici: coeficientul entalpic de răcire: η i = i 1 - i 2 i 1 - i w2 " t u1 - t u2 t u1 - t (13.34) w2 unde t u1 şi t u2 reprezintă temperatura termometrului umed pentru stările 1 şi 2. coeficientul termic de răcire: η t = t 1 - t 2D t 1 - t w2 (13.35) Se poate arată că raportul acestor coeficienţi este egal cu coeficientul de abatere a procesului real faţă de cel convenţional: a = η i η t (13.36) Punctele Y, U 1 şi U 2 se consideră coliniare: ΔY 2Y U 2 ΔY 1 U 1 t 1 - t 2Y t 1 - t 2w = t u1 - t u2 t u1 - t w2 t 1 - t 2Y = t u1 - t u2 t u1 - t w2 (t 1 - t 2w ) (1.37) Ambii coeficienţi de răcire sunt funcţii de următorii factori: viteza masică a aerului în cameră (ρw) [kg/(m 2 s)]; aria secţiunii transversale a camerei A [m 2 ], presiunea apei înaintea duzelor p [dan/cm 2 ]; diametrul orificiului de ieşire a duzei d [mm]; numărul de registre de pulverizare z şi densitatea de dispunere a duzelor într-un registru n [buc/m 2 ]. Primii doi factori determină debitul masic de aer prin cameră m a, iar ceilalţi debitul de apă pulverizat în camera m w. Influenţa tuturor factorilor enumeraţi asupra coeficientului de răcire poate fi suficient de complet reflectată prin influenţa coeficientului de stropire μ = m w/m a. 23

24 Răcitoare de aer şi baterii de răcire Ecuaţia pentru determinarea temperaturii finale a apei se poate obţine din bilanţul termic al RA: i 1 - i 2 = μ c pw (t w2 - t w1 ) (13.38) Din expresia coeficientului entalpic de răcire rezulta: Atunci Se introduce raportul: i 1 - i 2 = η i (i 1 - i w2 ") (13.39) μ c pw (t w2 - t w1 ) = η i (i 1 - i w2 ") (13.40) m = i 1 - i w2 " t u1 - t w2 (13.41) Valoarea lui m se poate lua din Tabelul Tabelul 13.8 Valorile lui m pentru diferite temperaturi t u p t u [mm Hg] ,405 0,470 0,555 0,665 0,860 0, ,410 0,477 0,563 0,678 0,878 1,020 Înlocuind în penultima relaţie diferenţa de entalpii cu m(t u1 - t w2 ) şi rezolvând noua ecuaţie în t w2 se obţine: t w2 = t w1 + η i m μ c w t u Răcitor de aer cu umplutură stropită 1 + η i m μ c w (13.42) Construcţie şi funcţionare În RA cu umplutură stropită (Figura 13.19), apa sau alt agent intermediar este distribuită prin injectoare (duze) sau ţevi perforate deasupra unui strat de umplutură adesea din inele Rashig. Inelele măresc suprafaţa de schimb de căldură şi masă în unitatea de volum de umplutură. Inelele se confecţionează de obicei din ceramică (sau metal) cu dimensiunile 25x25x(2...3)mm. Într-un m 3 de umplutură intră inele, ceea ce înseamnă m 2 de suprafaţă de răcire. Grosimea stratului de umplutură este de mm. Aerul circulă de jos în sus prin umplutura stropită, în contracurent cu apa, răcindu-se în contact cu pelicula de apă de pe umplutură şi parţial la trecerea prin volumul de stropire. Deasupra registrelor de stropire se prevede un separator de picături (jaluzele sau plăci aşezate în zigzag), pentru a împiedica antrenarea micilor picături de apă de către aer. Uneori, pentru separarea picăturilor se prevede un strat din aceleaşi inele, ca în stratul de bază (poz 1, Figura 13.19). 24

25 Viteza aerului în RA nu trebuie să fie mare, întrucât în caz contrar apa va fi reţinută în umplutură de către curentul de aer. Se ajunge ca secţiunea de trecere dintre inele să se umple cu apă (umplutura se "îneacă"), creşte rezistenţa aerodinamică a aparatului, se înrăutăţeşte schimbul de căldură. Pentru umplutura din inele, viteza aerului înaintea intrării în umplutură nu trebuie să fie mai mare de 1,5 m/s. URăcitoare de aer prin contact Figura Răcitor de aer cu umplutură stropită 1. strat separator; 2. umplutură; Umplutura din inele chiar în stare uscată are o rezistentă aerodinamică destul de mare, întrucât în vrac inelele modifică de multe ori viteza şi direcţia de curgere a aerului, ceea ce conduce la rezistenţe mari datorită loviturilor şi întoarcerilor. Rezistenţa aerodinamică este cu mult mai mică în cazul umpluturii cu curgere dirijată a aerului, de exemplu umplutură cu fante (canale) sau tip fagure. Umplutura cu canale poate fi executată din plăci de material sau hârtie gofrată îmbibată ulterior cu soluţii speciale. Blocurile tip fagure se execută la maşini speciale de îmbinat, după care urmează extinderea şi impregnarea cu răşini sintetice pentru asigurarea rigidităţii şi a rezistenţei la umezire. Materialul de bază poate fi hârtie, carton, pânză din fire de sticlă, etc. Caracteristicile de bază ale umpluturilor sunt: suprafaţa specifică a umpluturii (S v ) [m 2 /m 3 ], volumul liber sau partea corespunzătoare aerului din volumul stratului de umplutură (V l ) [m 3 /m 3 ], masa volumică a umpluturii (M v ) [kg/m 3 ] şi diametrul echivalent al umpluturii d ec = 4V l /S v [m]; Aceste caracteristici, pentru tipurile principale de umplutură sunt date în Tabelul Tabelul 13.9 Unele caracteristici ale tipurilor principale de umplutură Tipul umpluturii Dimens elem de umplutură mm S v m 2 /m 3 V a m 3 /m 3 M V kg/m 3 d ec mm Vrac: cocs 24, , ,2 inele Rashig 50x50x5 87,5 0, ,0 25x25x , ,5 15x15x , ,5 Cu fante verticale: miplast , ,7 gofrata 3, , ,85 hârtie 2, , ,66 Fagure: ,9 25

26 Răcitoare de aer şi baterii de răcire Tipul umpluturii Dimens elem de umplutură mm S v m 2 /m 3 V a m 3 /m 3 M V kg/m 3 d ec mm hârtie impreg cu smoală epoxidică RA cu umplutură stropită (în afară de cele cu tip fagure) sunt inferioare altor tipuri de RA din punct de vedere al caracteristicilor de masă şi volum, întrucât din cauza vitezelor admisibile mici de circulaţie a aerului, secţiunile de curgere ale acestor aparate sunt foarte mari Metoda de calcul Coeficientul de schimb de căldură de la aer la apă, se raportează convenţional la mărimea secţiunii transversale a RA (A) şi nu la suprafaţa adevărată de contact dintre aer şi apă, a cărei mărime exactă nu se poate determina. În acest caz, pentru inele Rashig Φ25x25x3. Valoarea k A poate fi determinată din relaţia empirică: k A = 1,163 ( δ) H w 0,42 (ρw A ) 0,5+0,6δ (13.43) unde: k A - consideră numai schimbul de căldură uscat, W/(m 2 grd); δ = 0,1 1 m - grosimea stratului de umplutură în m; H w - intensitatea de stropire (înălţimea ploii), adică debitul de agent intermediar ce cade pe 1 m 2 de secţiune transversală a RA, [m 3 /(m 2 h)] H w = V A (13.44) sau, dacă H w [kg/(m 2 s)] se poate folosi şi relaţia: k A = 15,7δ -0,4 H w 0,42 (ρw A ) 0,7 (13.45) Ecuaţia sus menţionată este valabilă pentru o grosime a stratului de umplutură δ < 0,6 m. La stropirea inelelor cu saramură de CaCl 2, valoarea obţinută a lui k A trebuie micşorată, înmulţind-o cu un coeficient A s dat în Tabelul Tabelul Coeficientul A s în funcţie de ρ s ρ s [kg/dm 3 ] 1,0 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 A s 1,0 0,95 0,90 0,80 0,70 0,60 De obicei calculul RA se deduce la determinarea grosimii stratului de umplutură, ceea ce se poate realiza cu ajutorul nomogramelor, calculând mai întâi k A din ecuaţia de schimb de căldură. La coeficienţi reduşi de stropire şi grosimi mici a stratrului de umplutură în RA cu stropire, la fel ca şi la cele cu pulverizare, se observă o abatere a procesului real faţă de cel teoretic, datorat evaporării ulterioare a umidităţii din aer (umidificare adiabatică). Rezistenţa aerodinamică la curgerea aerului prin stratul de inele Rashig de 25x25x3 m poate fi calculată cu relaţia: Δp = [44δ + (0,75 + 4,6 δ) H w ] w a 2,4 - δ [dan/m 2 ] (13.46) Δp = [1550δ + (26, ,5 δ) H w ] w a 2,4 - δ [Pa] (13.47) Rezistenţa separatorului de picături (SP) din inele Rashig 25x25x3 poate fi calculată cu relaţia: 26