Proračun sistema sa vodenimrastvorom etilen-glikola

Branislav Ercegović, dipl. inž.,RO »Mašinoprojekt«,11000 Beograd, Dobrinjska 8a

U radu se izlazu osnovne karakteristike vodenog rastvoraetilen-glikola i vode, kao najčešće korišćenog sredstva zazaštitu od smrzavanja. Analiziran je uticaj karakteristikarastvora na izbor ekspanzionih sudova, proračun padapritiska i izbor opreme. Prikazana je opsta metodaproračuna sistema koji rade sa tečnostima čije sukarakteristike drukčije od onih koje ima voda i saopštenisu rezultati proračuna za rastvor etilen-glikola i vode.

Uvod

Uvek kada postoji mogućnost da se u sistemu javetemperature nize od +4°C, vodi je potrebno dodavatisredstva za zaštitu od zamrzavanja, poznata podkomercijalnim nazivom »antifrizi«, Tipični sistemi utehnici KGH u kojima se javljaju ovako nisketemperature su:

—rekuperativni izmenjivači toplote za povratak»otpadne toplote« u sistemima provetravanja;—pred-grejači za zaštitu od smrzavanja re-generativnih izmenjivača toplote;—izmenjivači za ugradnju u zemlju pri pri-menitoplotnih pumpi;—solarni kolektori i si.Najčešće sredstvo koje se koristi za zaštitu odsmrzavanja je etilen-glikol.

Opšte karakteristike rastvora etilen-glikola i vode

Čisti etilen-glikol je bezbojna tečnost, bez mi-risa, ipotpuno se rastvara u vodi. Otrovan je i ne sme sekoristiti u sistemima gde postoji opasnost da prodre uvodu za piće.

Pri korišćenju vodenog rastvora etilen-glikola,najveći je problem korozije. Čisti etilen-glikol je uprincipu manje korozivan za metale od vode, ali vodenirastvor etilen-glikola izaziva znatno veću korozijumetala od čiste vode. To je zato

što je etilen-glikol organska materija koja se vezuje sakiseonikom (oksidira), stvarajući kisele materije kojeizazivaju koroziju. Intenzitet korozije zavisi od mnogihfaktora, kao sto su temperatura, količina vazduha u vodi,kombinaciji metalnih komponenata koje su izloženedejstvu korozije itd. Zbog toga se komercijalnom etilen-glikolu dodaju inhibitori (sredstva koja usporavajuhemijsku reakciju), za sprečavanje korozije metala. To jei osnovni razlog sto vodeni rastvor etilen-glikola imaograničen vek trajanja. Tokom eksploatacije ovih sistemapotrebno je u određenim vremenskim razmacima vršitianalizu rastvora i sadržaja inhibitora, prema uputstvimaisporučioca etilen-glikola, i po potrebi rastvor dopuniti ilizameniti.

Fizičke karakteristike rastvora date su nadijagramima od 1 do 4. Na osnovu minimalne tem-perature koja se može javiti u sistemu, iz dijagrama sebira potrebna koncentracija rastvora. U principuminimalna temperatura nije jednaka spoljnoj projektnojtemperaturi vazduha zimi, jer se SPT određuje uzimajućiu obzir toplotnu akumulaciju zgrada i sl. i uvek je višaod minimalne temperature vazduha.

Izbor ekspanzionog suda

Da bi se pravilno izabrao ekspanzioni sud potrebnoje tačno izračunati zapreminu sirenja rastvora etilen-glikola i vode pri zagrevanju. Proračun zapremineširenja vrši se iz uslova da je masa u zatvorenom sistemukonstantna.

Zapremina rastvora pri najnižoj temperaturi je:

gde je:

m — masa rastvora (kg),p0 — gustina rastvora pri najnižoj temperaturi

(kg/m'), pi — gustina rastvora pri najvišojtemperaturi

(kg/m3).

Oduzimanjem jednačine (1) od jednačine (2), dobijase izraz za izračunavanje zapremine širenja:

odnosno posle zamenjivanja izraza za masu iz jednačine(1), m = V0p0:

Pri izračunavanju zapremine koju treba da primiekspanzioni sud, zanemaruje se širenje izmenjivačatoplote i cevovoda pri zagrevanju.

Iz izraza (3) vidi se da zapremina širenja zavisi odfaktora:

Za običnu vodu, faktor K se izračunava premagustini p0 na 4'C, kada voda ima maksimalnu gustinu, ato je praktično i najniža temperatura pri kojoj smemo dakoristimo običnu vodu u sistemu.

Rastvor etilen-glikola i vode nema maksimumgustine pre tačke smrzavanja. Gustina rastvora jefunkcija koncentracije etilen-glikola i temperature. Poštokoncentraciju etilen-glikola određujemo u zavisnosti odminimalne temperature, to je, praktično, gustina smešepri minimalnoj temperaturi funkcija samo minimalnetemperature,

Na osnovu izraza (5) za faktor K, izračunate suvrednosti za razne temperature i koncentracije iprikazane u dijagramu broj 5.

Sada se zapremina ekspanzivnog suda određuje izpoznatog izraza:

gde je:

V — zapremina ekspanzionog suda,Pmax — maksimalni dozvoljeni pritisak (bar),Pst — statički pritisak (bar).

Kada smo izabrali ekspanzioni sud prve standardneveće zapremine, možemo da izračunamo pritisak do kogatreba puniti sistem rastvorom prilikom montaže. Na slici1. prikazani su položaji membrane i veličine stanja prikarakterističnim temperaturama u sistemu. Iz uslovada se

zanemaruje promena temperature gasa u ekspanzionomsudu, izračunava se pritisak punjenja iz jednačine:

gde je:

Pmon. — pritisak u sudu pri montaži (bar), A Vmon— zapremina sirenja od minimalne temperature dotemperature montaže (m3).

Primer. U sistemu za predgrevanje vazduhanalazi se rastvor sa 40% glikola. Zapremina siste-

ma je 500 (I), a radna temperatura 90/70 °C.. AV = ?, tsr = 80°C, K = 0,05, A V = 5000,05= 25

(1).

Proračun pada pritiska

Da bi se za proračun jediničnog pada pritiska pristrujanju rastvora etilen-glikola i vode mogle koristititabele za toplu vodu, potrebno je vrednosti jediničnogpada pritiska za vodu korigovati odgovarajućimfaktorom. Ako posmatramo iste masene protoke rastvorai ciste vode kroz cev istog prečnika, odnosi brzinarastvora i vode biće:gde je:

X,s — koeficijent trenja rastvora, Xv —koeficijent trenja ciste vode, ws — brzinastrujanja glikola (m/s), wv — brzina strujanjaciste vode (m/s), ps — gustina rastvora(kg/m3), pv — gustina ciste vode (kg/m3).

Koeficijenti trenja \s i Xv biće određeni jednačinom:

gde je £ — apsolutna hrapavost cevi, a Re — Rejnoldsovbroj.

Posle unošenja izraza za koeficijent trenja (11), ujednačine (9) i (10) i deljenja jednačine (9) jednačinom(10), posle skraćivanja se dobija odnos jediničnih padovapritisaka:

odnosno posle zamenjivanja izraza za brzinu rastvora iz jednačine (8),

Pri tome ce jedinicni padovi pritisakabiti:

Standardne tabele za toplu vodu sračunate su za vodutemperature 80°C i cevi apsolutne hrapavosti 0,045 (mm).Kada se u jednačinu (13) unesu fizičke karakteristike zatoplu vodu i za rastvor etilen-glikola i vode, može seizračunati korekcioni faktor R,/Rv kojim treba množitijedinični pad pritiska za vodu, da bi se dobio jedični padpritiska za rastvor etilen-glikola i vode. Izračunatikorekcioni faktori za različite koncentracije i temperaturerastvora dati su u tabeli broj 1.

Lokalni otpori pri strujanju rastvora su:

Kada se u jednačinu (14) unese izraz za br-zinurastvora iz jednačine (8), dobija se da je:

Zs = ^.ps-(pv/ps)2-wvV2

I unošenjem izraza za lokalne otpore pri strujanju vodedobija se:

gde je:

Jj — koeficijent lokalnog otpora,Zs — lokalni pad pritiska pri strujanju rastvora

(Pa), Zv — lokalni pad pritiska pri strujanju vode(Pa).

Korekcioni faktor pv/ps za različite temperature ikoncentracije rastvora dat je u tabeli 1.

Proračun pada pritiska se sada može izvršiti nasledeći način. Za maseni protok rastvora odrede sejedinični pad pritiska i lokalni pad pritiska za vodu. Zatimse jedinični pad pritiska za vodu množi faktorom Rs/Rv, alokalni pad pritiska faktorom pv/ps.

PRIMER

Kroz cev DN 32 protiče 1 100 kg/h 40%-nograstvora etilen-glikola i vode srednje temperature 0°C.Koeficijent lokalnog otpora je 10. Odredi-ti padovepritisaka.

Za protok od 1 100 kg/h iz tabela .za toplu voduočitavamo:

Rv = 36 Pa/m,

wv = 0,32 m/s,

Zv = 498 Pa

U tabeli 1. određujemo korekcione faktore Rs/Rv =1,6 i Pv/Ps = 0,92

Rs = 36 1,6 = 57,6 Pa/m

Zs = 498 0,92 = 458,2 Pa

Izbor cirkulacione pumpe

Prilikom izbora pumpe treba posebnu pažnjuposvetiti znatno povećanoj viskoznosti rastvora etilen-glikola u odnosu na cistu vodu, jer se karakteristikepumpe u katalozima daju za cistu vodu.

Dijagram 6. daje kvalitativnu zavisnost protoka,napora i stepena korisnosti pumpe od vis-

(Kraj na 83. str.)

Što se tiče vazdušnog kondenzatora, treba osigurati dobrucirkulaciju vazduha: čistiti ga, da bi se odstranila prašina,krupnije čestice, suvo lisce koje može da zapuši rešetkebaterija, zatim paziti da se u blizini ne instalira element kojiteži da poveća cirkulaciju rashladnog vazduha itd.

(Kraj u idućem broju)

(Nastavak sa 56. str.)

koznosti tečnosti. Iz dijagrama se vidi da se naj-vise menjastepen korisnosti pumpe zbog povećanih gubitaka energije usamoj pumpi. To za posledicu ima potrebnu veću snagumotora pumpe. Posto se projektant ne bavi konstruisanjempumpi, već njenim izborom, potrebno je konsultovatiproizvođača pumpi za potrebne korekcije snage motorapumpe.

Zaključak

Na osnovu prethodne analize, vidi se da se do-davanjemetilen-glikola vodi ne snižava samo temperatura smrzavanjavode, već se i sve ostale fizičke karakteristike vode bitnomenjaju. To ima za posledicu da proračuni radeni sa fizičkim

karakteristikama vode ne daju realne rezultate. Zbog togase pri proračunu sistema sa vodenim rastvorom etilen-glikolanastali rastvor mora tretirati kao potpuno novi fluid.

LITERATURA

[1] REKNAGEL/SPRENGER: Grejanje i klimatizacija,Građevinska knjiga, Beograd, 1984.

[2] *** ASHRAE Handbook of Fundamentals ProductDirectory, ASHRAE New York, 1972.

[3] ASHRAE Handbook Product Directory, Systems,ASHRAE, New York, 1976.

[4] *** Carrier, Handbook ol Air Conditioning Design, 1987.