Care sunt proprietățile aerului? Partea a doua.

Când vine vorba de mișcarea aerului, înțelegerea proprietății aerului este vitală. În această serie de articole, analizăm modul în care diferiții parametri afectează densitatea aerului și la modul în care au loc modificările densității aerului într-o centrală de tratare a aerului (CTA). 

Densitatea aerului

Densitatea aerului este un parametru util în măsurarea volumului de aer. Este definită ca masa pe unitatea de volum de aer, iar valoarea ei este influențată de o serie de factori, inclusiv altitudinea (densitatea aerului scade odată cu creșterea altitudinii, ca și presiunea) și variațiile de temperatură și umiditate .

Ecuația pentru calculul densității aerului este prezentată în Figura 1.

Calculul densității aerului
Densitatea (kg/m3) depinde de: temperatură, presiune, altitudine (presiune), umiditate.

Figura 1: Calculul densității aerului

Unde:
pd = Presiunea parțială a aerului uscat (Pa)
Rd = Constanta specifică a aerului uscat, 278.058 J/(kg⋅K)
T = Temperatura (K)
pv = Presiunea parțială vaporilor de apă (Pa)
Rv = Constanta specifică a vaporilor de apă, 461.495 J/(kg⋅K)

La nivelul marii, la o temperatura de 20°C, la Atmosfera Standard Internațională (în engleză - International Standard Atmosphere, abreviat ISA), aerul are o densitate de aproximativ 1,2 kg/m3.

După cum am văzut în Proprietățile aerului. Partea întâi, umiditatea relativă este raportul dintre cantitatea maximă de apă pe care o poate reține aerul (100% umiditate relativă) și conținutul real de apă la temperatura actuală. De asemenea, poate fi exprimat ca raport (în procente) dintre presiunea parțială a vaporilor din aer și presiunea parțială a vaporilor de saturație la temperatura actuală a bulbului uscat sau prin masa reală a vaporilor și a aerului.

Cel mai mare factor de mediu care va afecta densitatea aerului este temperatura: o modificare de doar 6°C (de la 20°C la 26°C va modifica densitatea cu 1,7%). Presiunea are un impact mai mic, dar totuși cuantificabil: o schimbare de 500Pa a presiunii va modifica densitatea cu 0,49%. Efectul modificărilor de umiditate este aproape neglijabil: o schimbare majoră de 25% a umidității va modifica densitatea aerului cu doar 0,37%.

Diagrama Mollier 

Diagrama Mollier a fost concepută în 1904 de Richard Mollier, în Dresda. Este o diagramă entalpie-entropie, care descrie entalpia unui sistem termodinamic.

Diagrama Mollier este folosită pentru a proiecta procesele de climatizare și pentru a calcula, printre altele, variația de temperatură și umiditate, precum și energia necesară pentru încălzirea sau răcirea aerului. În software-ul ACON de selecție a produselor FläktGroup, o diagramă Mollier cu procesul specific al unității de tratare a aerului poate fi trasată automat.

Figura 2 prezintă o diagramă Mollier tipică.

Figura 2: O diagramă Mollier tipică


Calculul aerului într -o centrală de tratare a aerului

    Figura 3 prezintă o centrală tipică de tratare a aerului, arătând opt poziții prin care trebuie să treacă aerul, fiecare dintre acestea modificând aerul în timpul călătoriei sale de la aerul ambiant (poziția #1) până la aerul climatizat dorit (poziția #8).

Figura 3: Cele 8 poziții ale unei centrale tipice de tratare a aerului.  

    Să luăm un exemplu. Să presupunem că starea exterioară (poziția #1) este o temperatură de 27°C cu 65% umiditate relativă. Suntem la nivelul mării, cu o presiune atmosferică de 1013 mbar – o zi tipică de vară. Condiția de alimentare solicitată (poziția #8) este o temperatură de 22°C, cu o umiditate de 40%, un debit de aer de 6m3/s și o presiune disponibilă de 500Pa pentru a compensa pierderea de presiune din sistemul de tubulaturi.

Primul calcul este de a afla densitatea aerului din starea exterioară. Folosind legea gazelor ideale prezentată în figura 1, calculul arată astfel:





Poziția #2

Odată ce aerul a trecut prin filtru, temperatura, densitatea și umiditatea vor rămâne aceleași. Subpresiunea va fi crescută pentru a compensa căderea de presiune a filtrului (în acest caz -85Pa).

Poziția #3

Acum ajungem la bateria de răcire. În acest caz dorim să o folosim pentru a reduce umiditatea din aer, care are nevoie ca temperatura să fie coborâtă sub punctul de saturație. Calculul puterii de răcire în această etapă folosește formulele prezentate în Proprietățile aerului. Partea întâi. Folosirea formulei pe bază de entalpie ne va oferi puterea totală necesară, inclusiv puterea sensibilă și cea latentă; folosirea temperaturii ca parametru ne va oferi puterea sensibilă în sine, după cum urmează:

Ptot = 5 ⋅ 1,2 ⋅ 1,01 ⋅ (64-20) = 266 kW
Psens = 5 ⋅ 1,2 ⋅ 1,01 ⋅ (27-8) = 115 kW

Cu o cădere de presiune de 100 Pa prin bateria de răcire, căderea de presiune cumulată este acum de -185 Pa. 
Dupa trecerea prin serpentina de racire, temperatura este de 8°C si umiditatea 100% (deoarece punctul de saturatie a fost trecut). Aceasta înseamnă că densitatea aerului este mai mare; folosind același calcul ca înainte, acum densitatea este de 1,26 kg/m3.

Poziția #4

Odată ce aerul a fost dezumidificat, bateria de încălzire va crește temperatura. Nu contează dacă utilizați formula pe bază de entalpie sau cea pe baza temperaturii pentru calcularea puterii, deoarece nu va fi nicio schimbare de stare (și implicit nu este necesară puterea latentă), rezultatul va fi același: 

Ptot = 5 ⋅ 1,2 ⋅ 1,01 ⋅ (20 -8) = 73 kW

Cu încă o cădere de presiune de 50 Pa în bateria de încălzire, căderea de presiune cumulată este acum de -235 Pa iar densitatea este acum 1,217 kg/m3.

Poziția #5

În acest caz, umidificatorul nu este necesar pentru a atinge obiectivul nostru de debit de aer de 6m3/s și 40% umiditate relativă.

Două lucruri asigură umiditatea aerului. Primul este condensarea, prin pulverizarea cu apă peste un „bloc” pe care aerul îl traversează. Acest lucru va și scădea temperatura aerului, care va fi compensat de catre CTA prin încălzirea acestuia, dacă este necesar.

A doua metodă este furnizarea de abur în aer cu lăncile în camera de umdificare a CTA-ului. Acest lucru va schimba doar umiditatea din aer, fără modificări asupra temperaturii. Pe lângă acestea, varianta cu lănci dau o cădere de presiune foarte mică.

Efectul combinat al pozițiilor #5, #6 și #7

În exemplul dat, două fluxuri de aer sunt amestecate, cel de la intrare (poziția #5), cu cel de la recirculare (poziția #6). Pentru a calcula starea acestui aer amestecat rezultant, există două metode. 

Prima este de a folosi diagrama Mollier; se trasează o linie dreaptă între cele două puncte ale fluxului de aer, apoi se măsoară distanța dintre acele puncte de pe linie care au același raport ca cele două fluxuri de aer – acel punct este noua condiție (punctul #7(8) din Figura 4). Apoi puteți utiliza graficul pentru a citi temperatura și umiditatea.

Alternativ, se poate utiliza metoda teoretică. Presupunând că debitul de aer de la introducere este de 5m3/s la 20°C și o umiditate de 35%, iar debitul de aer din recirculare este de 1m3/s la 25°C și 50% umiditate relativă, atunci prin înmulțirea proporției dintre debitul de aer și diferența de temperatură, iar apoi adăugarea acestei valori la temperatura inferioară de 20°C, va oferi noua temperatură:

Tamestec= (1/6 ⋅ (25-20)) + 20 = 21°C

Debitul total de aer este o simplă adăugare a celor două fluxuri de aer (deci 5m3/s + 1m3/s = 6m3/s). Se poate citi umiditatea în noul punct de pe diagrama Mollier .

Poziția #8

După ce am trecut prin întregul CTA, obiectivul a fost atins. De reținut că ventilatorul va crește temperatura cu până la 1°C în funcție de dimensiunea și funcționarea motorului. În acest caz, am presupus că acesta va crește temperatura aerului cu 1°C, oferindu-ne temperatura dorită de 22°C.

    Figura 4 arată diagrama Mollier completă pentru exemplul dat, reprezentând toate cele opt poziții.

Figura 4: Diagrama Mollier care prezintă toate modificările aerului în exemplul dat


Recalcularea Densitatății

Densitatea aerului pe măsură ce acesta trece prin CTA variază, cel mai semnificativ efect având loc la schimbarea temperaturii. La fiecare punct din cele 8 prezentate, densitatea poate fi calculată utilizând legea gazelor ideale prezentată în Figura 1.

Când se testează o centrală de tratare a aerului și pentru a compara rezultatul cu alte unități sau cu valorile de catalog, este important să se poată recalcula la densitatea standard. Cei doi parametri care vor fi modificați atunci când un CTA este recalculat la densitatea standard sunt debitul de aer și presiunea. Asta înseamnă că avem două metode de a recalcula: 

Metoda 1: Considerăm debitul de aer constant și modificăm presiunea prin înmulțirea acesteia cu raportul de densitate pentru a determina noua presiune:

CTA: 6m3/s la 505Pa

Metoda 2: Considerăm presiunea constantă și modificăm debitul prin înmulțirea acestuia cu raportul de densitate pentru a determina noul debit:




CTA: 6,06 m3/s la 500 Pa