Condensarea - condensatoare racite cu apa

Condensarea

Condensarea este procesul termodinamic prin care agentul frigorific isi schimba starea de agregare din vapori in lichid, cedand caldura sursei calde, reprezentate de aerul sau apa de racire a condensatorului. Condensarea realizeaza efectul util in pompele de caldura. Uneori racirea condensatorului este realizata mixt, de aer si apa impreuna.

Procesul de condensare va fi analizat in continuare, separat pentru cazul racirii cu aer si separat pentru cazul racirii cu apa, desi din punct de vedere calitativ, pentru comportarea agentului frigorific nu exista diferente fundamentale.

De regula, in cazul racirii cu aer, condensarea se realizeaza in interiorul tevilor, in aparate construite din serpentine, iar in cazul racirii cu apa, condensarea se realizeaza in spatiul dintre un fascicul de tevi si manta, in aparate de constructie multitubulara, cel mai adesea orizontale.

O alta diferenta, intre cele doua tipuri de procese de condensare, este reprezentata de regimul termic al agentilor de lucru (agentul frigorific si agentul de racire), intre cele doua tipuri de aparate, existand unele diferente care vor fi analizate in continuare.

Condensatoare racite cu aer

Procesul de condensare este reprezentat in figura 31, unde se observa ca in interiorul tevilor, are loc intai racirea vaporilor pana la saturatie, urmata apoi de transformarea vaporilor in lichid, cantitatea de lichid crescand treptat spre iesirea agentului frigorific din aparat. Ultima portiune a serpentinei este integral umpluta de lichid.

Schema de principiu a unui condensator racit cu aer, este prezentata in figurile 31 si 32. Agentul frigorific intra in aparat sub forma de vapori supraincalziti (refulati de compresor) (v.si.), si iese din acesta sub forma de lichid subracit (l.s.). Aerul la intrarea in condensator (a.i.) este rece, iar la iesirea din acesta (a.e.) devine cald, deoarece in aparat preia caldura cedata de agentul frigorific. Presiunea agentului frigorific in condensator, este considerata constanta si are valoarea presiunii de condensare p_k . Aceasta ipoteza este corecta in conditiile in care se neglijeaza pierderile de presiune din condensator, datorate curgerii in conditii reale a agentului frigorific.

Evolutia procesului de condensare, in interiorul tevii din care este construita serpentina condensatorului, este prezentata in figura 33.

La intrarea in condensator (1), vaporii sunt supraincalziti. Aceasta stare, poate fi considerata cea de refulare a vaporilor din compresor. In contact termic cu aerul rece, temperatura vaporilor se reduce, asa cum se poate observa pe diagrama din figura 34, care prezinta variatia temperaturii celor doi agenti de lucru, in lungul suprafetei de transfer termic.

Procesul de racire a vaporilor supraincalziti, pana la atingerea starii de saturatie 1-2, este numit desupraincalzire si pentru realizarea acestuia este necesara o suprafata de schimb de caldura de cca. 10-20% din suprafata totala a condensatorului.

Condensarea propriu-zisa incepe in momentul in care vaporii ajung la temperatura de condensare t_k, iar in teava apare prima picatura de lichid saturat (2). Din acest moment, cantitatea de lichid din interiorul tevii creste continuu (2’, 2”), pana cand la sfarsitul condensarii, ultima bula de vapori isi schimba si aceasta starea de agregare (3).

Pe toata durata procesului de condensare 2-3, temperatura ramane constanta, iar vaporii de agent frigorific sunt saturati si se gasesc in echilibru cu lichidul, care de asemenea este saturat.

Pentru condensarea propriu-zisa, este utilizata aproximativ 60-80% din suprafata totala a condensatorului.

In ultima parte a condensatorului, lichidul obtinut, continua sa ramana in contact termic cu aerul rece si astfel condensul va continua sa cedeze caldura, ajungand ca la iesirea din aparat sa fie usor subracit. Pentru realizarea subracirii, procesul 3-4, este utilizata cca. 10-20% din suprafata totala a condensatorului.

La intrarea in condensator, vaporii supraincalziti (1) au temperatura de refulare t_ref, iar la iesire, condensul are o temperatura ceva mai redusa decat temperatura de condensare, denumita temperatura de subracire t_sr.

Regimul termic al condensatorului racit cu 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.

ESEU: Controler pentru pompa STP1 ESEU: Caracteristica de frecventa a circuitelor cuplate si a amplificatoarelor

Calculul regimului termic al condensatorului racit cu aer consta in determinarea tuturor temperaturilor caracteristice. La proiectarea condensatoarelor, un obiectiv important al calculului regimului termic, este determinarea temperaturii de condensare t_k, care reprezinta unul din parametrii interni de lucru ai instalatiei.

Temperatura aerului la intrarea in condensator tai, este cunoscuta, reprezentand cea mai ridicata temperatura a aerului, pe timp de vara, in zona geografica in care va functiona condensatorul.

Temperatura aerului la iesirea din condensator a fost notata, cu t_ae, iar variatia temperaturii aerului in condensator, sau gradul de incalzire a aerului, a fost notata cu ∆t_ak.

∆t_ak = t_ae – t_ai, [°C]                             (34)

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

∆t_ak = 5…10°                                       (35)

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

t_ae = t_ai + ∆t_ak, [°C]                             (36)

t_ae = t_ai + 5…10°C                               (37)

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

t_k – t_ae = 5…10°C                                (38)

Diferenta totala de temperatura din condensator, este diferenta dintre temperatura de condensare si cea a aerului la intrare in acesta, iar in conditiile prezentate, se poate constata ca valorile normale pentru aceasta sunt:

∆t_totk = t_k – t_ai = 10…20°C                 (39)

Temperatura de condensare, se poate determina direct in functie de temperatura aerului la intrarea in condensator si diferenta totala de temperatura in condensator:

t_k = t_ai + ∆t_totk [°C]                              (40)

t_k = t_ai + 10…20 [°C]                           (41)

Presiunea de condensare p_k, poate fi determinata usor, daca se cunoaste temperatura de condensare, cu ajutorul diagramelor sau tabelelor termodinamice, corespunzatoare agentului de lucru din instalatie:

t_k → p_k                                                 (42)

Gradul de subracire a condensului ∆tsr, reprezinta diferenta dintre temperatura de condensare si temperatura lichidului la iesirea din condensator:

∆t_sr = t_k – t_sr [°C]                                 (43)

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

∆t_sr = 4…7°C                                        (44)

Temperatura de subracire, cea la care iese agentul frigorific lichid din condensator, se

poate calcula cu relatia:

t_sr = t_k – ∆t_sr [°C]                                 (45)

t_sr = t_k – 4…7 [°C]                               (46)

In figura 35 este prezentat un exemplu de regim termic normal, pentru un condensator racit cu aer, avand o constructie uzuala si conditii de lucru medii.

Temperatura aerului la intrarea in condensator: t_ai = 30°C

Temperatura de condensare: t_k = 45°C

Diferenta totala de temperatura in condensator: ∆t_totk = 45 – 30 = 15°C

Temperatura aerului la iesirea din condensator: t_ae = 37°C

Gradul de incalzire a aerului: ∆t_ak = 37 – 30 = 7°C

Diferenta dintre t_k si t_ae: 45 – 37 = 8°C

Temperatura de subracire: t_sr = 40°C

Gradul de subracire: ∆t_sr = 45 – 40 = 5°C

Condensatoare racite cu apa

Constructia unui condensator racit cu apa, este prezentata in figura 36, iar schema de principiu a unui condensator racit cu apa, este prezentata in figura 37. Agentul frigorific intra in aparat sub forma de vapori supraincalziti (refulati de compresor) (v.si.), si iese din acesta sub forma de lichid subracit (l.s.). Apa la intrarea in condensator (w.i.) este rece, iar la iesirea din acesta (w.e.) devine calda, deoarece in aparat preia caldura cedata de agentul frigorific. Presiunea agentului frigorific in condensator, este constanta si are valoarea presiunii de condensare p_k.

Evolutia procesului de condensare este prezentata in figura 38, de la intrarea vaporilor supraincalziti in condensator (1), pana la iesirea condensului usor subracit (4) din acesta.

Spre deosebire de condensatoarele racite cu aer, in cele racite cu apa, condensarea se realizeaza pelicular, pe suprafetele exterioare, reci, ale tevilor schimbatoare de caldura.

Pelicula de condens se formeaza pe primele randuri de tevi si condensul curge de pe tevile superioare pe cele inferioare, grosimea peliculei crescand treptat de sus in jos.

In figura 39 este redata o imagine 3D a modului in care se formeaza condensul, pe suprafata exterioara a tevilor condensatoarelor racite cu apa.

Dupa intrarea in aparat, in contact termic cu apa rece, temperatura vaporilor supraincalziti se reduce, asa cum se poate observa pe diagrama din figura 40, care prezinta variatia temperaturii celor doi agenti de lucru, in lungul suprafetei de transfer termic.

Desupraincalzirea 1-2 se realizeaza pe primele tevi, din partea superioara a condensatorului, pe o suprafata de schimb de caldura de cca. 10% din suprafata totala a condensatorului.

Condensarea propriu-zisa incepe in momentul in care vaporii ajung la temperatura de condensare t_k, moment in care apare pe teava prima picatura de lichid saturat (2). Din acest moment, cantitatea de lichid formata la exteriorul tevii creste continuu (2’, 2”, 2’”), pana cand la sfarsitul condensarii, pe tevile din partea inferioara a condensatorului, vaporii isi schimba integral starea de agregare (3).

Pe toata durata procesului de condensare 2-3, temperatura ramane constanta la valoarea t_k, iar vaporii de agent frigorific sunt saturati si se gasesc in echilibru cu lichidul, care de asemenea este saturat.

Pentru condensarea propriu-zisa este utilizata aproximativ 80% din suprafata totala a condensatorului.

Pe ultimele tevi din partea inferioara a condensatorului, lichidul continua sa se gaseasca in contact termic cu apa rece din interiorul tevilor si astfel lichidul va continua sa cedeze caldura, ajungand ca la iesirea din aparat sa fie usor subracit. Subracirea este realizata pe cca. 10% din suprafata totala a condensatorului.

Regimul termic al condensatorului racit cu apa este determinat de caracteristicile constructive ale aparatului (materiale, dimensiuni geometrice, starea suprafetelor, etc.), de regimul de curgere (debite, respectiv viteze de curgere), etc.

Temperatura apei la intrarea in condensator t_wi, este determinanta pentru conditiile in care se realizeaza condensarea.

Temperatura apei la iesirea din condensator a fost notata, cu t_we, iar variatia temperaturii aerului in condensator, sau gradul de incalzire a aerului, a fost notata cu ∆t_wk.

∆t_wk = t_we – t_wi [°C]                            (47)

Variatia temperaturii aerului in condensator, pentru constructii uzuale si conditii de lucru normale, are valori in intervalul:

∆t_wk = 3…5°C                                      (48)

Temperatura apei, la iesirea din condensator se poate determina cu relatia:

t_we = t_wi + ∆t_wk [°C]                            (49)

t_we = t_wi + 3…5 [°C]                            (50)

Diferenta dintre temperatura de condensare si temperatura apei la iesirea din aparat, este pentru constructii uzuale si conditii normale:

t_k – t_we = 3…5°C                                  (51)

Diferenta totala de temperatura din condensator, are in conditiile prezentate valori normale situate in intervalul:

∆t_totk = t_k – t_wi = 6…10°C                   (52)

Temperatura de condensare se poate determina direct in functie de temperatura apei si diferenta totala de temperatura din condensator:

t_k = t_wi + ∆t_totk [°C]                             (53)

t_k = t_wi + 6…10 [°C]                            (54)

Presiunea de condensare pk, poate fi determinata in functie de temperatura de condensare, cu ajutorul diagramelor sau tabelelor termodinamice, corespunzatoare agentului de lucru din instalatie:

t_k → p_k                                                                                  (55)

Gradul de subracire a condensului ∆t_sr, reprezinta diferenta dintre temperatura de condensare si temperatura lichidului la iesirea din condensator:

∆t_sr = t_k – t_sr [°C]                                 (56)

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

∆t_sr = 4…7°C                                        (57)

Temperatura de subracire, cea la care iese agentul frigorific lichid din condensator, se poate calcula cu relatia:

t_sr = t_k – ∆t_sr [°C]                                 (58)

t_sr = t_k – 4…7 [°C]                               (59)

In figura 41 este prezentat un exemplu de regim termic normal, pentru un condensator racit cu apa, avand o constructie uzuala si conditii de lucru medii.

Temperatura apei la intrarea in condensator: t_wi = 20°C

Temperatura de condensare: t_k = 28°C

Diferenta totala de temperatura in condensator: ∆t_totk = 28 – 20 = 8°C

Temperatura aerului la iesirea din condensator: t_we = 24°C

Gradul de incalzire a aerului: ∆t_wk = 24 – 20 = 4°C

Diferenta dintre t_k si t_we: 28 – 24 = 8°C

Temperatura de subracire: t_sr = 23°C

Gradul de subracire: ∆t_sr = 28 – 23 = 5°C

In instalatiile frigorifice de puteri medii si mari, in schema instalatiilor, dupa condensator urmeaza o butelie de lichid (cazul instalatiilor avand condensator racit cu aer, de puteri frigorifice medii), sau un rezervor de lichid (cazul instalatiilor avand condensator racit cu aer sau apa, de puteri frigorifice mari).

In instalatiile de puteri frigorifice mari, racite cu apa, subracirea condensului, se realizeaza uneori in schimbatoare de caldura independente, denumite subracitoare, in care

agentul frigorific lichid saturat, este subracit utilizand tot apa de racire. Aceste schimbatoare de caldura sunt de tip teava in teava.