Principiul de Functionare al Instalatiilor Frigorifice

CAPITOLUL I

PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE AL INSTALAȚIILOR FRIGORIFICE

1.1. GENERALITĂȚI

Căldura – reprezentând, ca și lucrul mecanic, un mod de transmitere a energiei – se propagă în mediul material în trei moduri elementare: conducție, convecție și radiație. Această diviziune corespunde atât unor fenomene cu explicații fizice diferite, cât și unor necesități metodologice de studiu al acestora.

Elementul comun al celor trei forme menționate este mișcarea continuă a particulelor ce formează materia, iar mecanismul intim al fenomenelor depinde de starea de agregare a acestuia (solid sau fluid), de natură și specificul substanței (metale, materiale organice s.a.m.d.), ca și de starea de mișcare relativă s straturilor de material.

Procesele elementare de schimb de căldură au loc în două moduri fundamental diferite, în funcție de interacțiunea prin contactul, direct sau nu, între corpurile sau sistemele între care se desfășoară transferul de energie:

-prin contact direct între straturile corpurilor, în cazul conducției și convecției;

-prin propagarea de la distanță între aceste corpuri, în cazul radiației.

Conducția poate fi explicată că un transfer de energie din aproape în aproape, datorită mișcării elementelor ce formează masa materiei corpurilor. Conducția termică este un fenomen tipic difuziv, la care își aduc contribuția electronii și ionii. Aceștia transferă energia prin ciocnirile rezultate din mișcarea lor, din zone cu temperaturi ridicate spre zone cu temperaturi mai scăzute.

Convecția constitue formă specifică de trecere a căldurii între fluide și solide sau între straturi fluide și este legată efectiv de suportul material al elementelor de masă în mișcare. Este determinată direct de diferențele de densități ale porțiunilor de fluid cu temperaturi diferite, dar poate fi influențată și de fenomenele de conducție în straturile fluide la contactul cu suprafață solidă.

Radiația termică este un fenomen de propagare a energiei în spațiu, pe calea undelor electromagnetice. Transformarea căldurii are loc la limitele suprafețelor de separație solid – fluid. Intensitatea transformării, respectiv emisiei sau recepției de energie depinde în acest caz de temperaturi și de o serie de însușiri fizice ale corpurilor sau sistemelor în interacțiune.

Cele trei forme elementare menționate nu au loc, în general, separat și nici simultan în toate cazurile.

Prin răcire se înțelege oricare proces de îndepărtare a căldurii. Efectul extragerii căldurii de la un corp poate să se manifeste fie prin scăderea temperaturii, fie prin schimbarea nivelului energetic fără că temperatura să se modifice (că exemplu, schimbările stării de agregare a unor substanțe în condiții izobare).

În mod natural, răcirea unui corp se poate realiza până la nivelul temperaturii mediului imediat înconjurător. Scăderea temperaturii sub acest nivel poate fi realizată numai pe cale artificială.

Conform New Internațional Dictionary of Refrigeration prin sistem frigorific se definește "orice sistem care permite, furnizându-i o energie convenabilă, să transfere căldură de la o substanță sau mediu cu temperatura scăzută către altă cu temperatura mai ridicată". Deci rolul sistemelor frigorifice este reducerea și menținerea temperaturii unui spațiu sau corp sub temperatura mediului care le înconjoară. Conform principiului al doilea al termodinamicii, pentru că un sistem frigorific să poată funcționa sunt necesare câteva condiții:

-existența a două surse de căldură cu nivele diferite de temperatura (sursă caldă, respectiv sursă rece);

-un consum de energie pentru transferul de căldură de la nivelul inferior de temperatura către cel superior;

-existența unui corp termodinamic de lucru care-și schimbă parametrii de stare prin schimb de căldură și lucru mecanic cu exteriorul.

Figura 1.1 Schema de principiu a unui sistem frigorific

unde:

ɸ ₒ – căldură extrasă sursei reci;

ɸk – căldură cedată sursei calde;

E – energia consumată în sistem.

Totalitatea mașinilor și aparatelor prin care un sistem frigorific asigură realizarea procesului de răcire alcătuiesc instalația frigorifică.

După nivelul de temperaturi al sursei reci, sistemele frigorifice pot fi grupate convențional în următoarele domenii:

-domeniul pompelor de căldură, în care căldură este evacuată la temperaturi superioare celei a mediului înconjurător, fiind utilizată în scopuri de încălzire;

-domeniul climatizării în care frigul, produs la temperaturi în general peste 0°C, este utilizat în scopul sporirii confortului;

-domeniul frigului moderat, denumit și domeniul frigului industrial, care acoperă zona temperaturilor cuprinse între 0°C și -150°C, având cea mai largă răspândire;

-domeniul frigului adânc, care acoperă zona temperaturilor ajungând până aproape de zero absolut (-273,15°C).

Procedee de producere a frigului artificial

Tehnica frigului utilizează două mari categorii de procedee de obținere a temperaturilor scăzute:

-procedee cu agent frigorific sau pur termodinamice;

-procedee fără agent frigorific – procedee electrice și magnetice.

Procedee termodinamice

Suportul material prin care căldura este pompata de la sursa rece către sursa calda il constitue o substanța, de cale mai multe ori in stare fluida, denumita agent de lucru sau agent frigorific.

O prima grupa de procedee de obținere a temperaturilor scăzute cu agent frigorific o constitue cele realizate in circuit deschis:

-răcire prin utilizarea ghetii;

-răcirea prin amestecuri refrigerante;

-răcirea prin evaporarea unor lichide respectiv a vaporizarii unor lichide aflate la saturație.

De cea mai mare importanta in producerea frigului industrial sunt insa procedeele cu agent frigorific cu circuit inchis. In acest caz agentul frigorific suferă in evoluția sa prin instalația frigorifica o serie de procese in asa fel incat, după parcurgerea unui ciclu complet, este readus la starea inițiala.

Din aceasta categorie fac parte instalațiile frigorifice cu vapori (cu schimbarea stării de agregare a agentului) respectiv cu gaze (agentul nu-si schimba starea de agregare la parcurgere ciclului), instalațiile frigorifice cu vapori pot fi:

-cu comprimare mecanica in compresoare;

-cu comprimare termica in ejectoare;

-cu comprimare termochimica (utilizarea absorbției).

Exista si instalații care funcționează dupa cicluri combinate: comprimare mecanica – absorbție, comprimare mecanica – ejectie.

Procedee electrice si magnetice

Obținerea temperaturilor scăzute fără agent frigorific are la baza utilizarea unor fenomene termoelectrice sau termomagnetice.

-procedee bazate pe efectul magnetocaloric (efectul Peltier);

-efectul termomecanic în He II și efectul magnetocaloric în superconductori.

Instalațiile termoelectrice care au la bază fenomenul Peltier, permit obținerea frigului prin utilizarea directă a energiei electrice. La trecerea curentului electric printr-un ansamblu format din două materiale diferite se constată apariția unor diferențe de temperatura la cele două lipituri ale sistemului.

Aplicarea pe scară mai largă a acestui efect a devenit posibilă odată cu dezvoltarea tehnicii semiconductorilor.

Instalațiile magnetice permit obținerea efectului frigorific pe baza magnetizării adiabate axate pe proprietatea corpurilor paramagnetice de a-și mari temperatura la magnetizare și de a o reduce la demag- netizare. În această categorie de instalații se încadrează și cele care au la baza efectul Ettinghausen. Acest efect se manifestă la trecerea curentului electric printr-un material semiconductor plasat într-un câmp magnetic ceea ce determina apariția unui flux termic perpendicular pe direcția curentului.

Pe mare, datorită condițiilor specifice de exploatare, în prezent se utilizează numai instalații frigorifice cu comprimare de vapori în compresoare mecanice.

1.2. TERMODINAMICA PRODUCERII FRIGULUI ARTIFICIAL PRIN COMPRIMARE DE VAPORI ÎN COMPRESOARE MECANICE.MAȘINA FRIGORIFICĂ

Una din formulările principiului al II-lea al termodinamicii este: "Căldura trece de la sine de la un corp mai cald la unul mai rece dar nu poate trece de la sine de la un corp mai rece la unul mai cald".

Instalația frigorifică își propune realizarea temperaturilor mai scăzute decât ale mediului înconjurător, într-un spațiu închis, izolat termic față de exterior. Scăderea temperaturii se realizează prin preluarea căldurii din acest spațiu și cedarea ei mediului ambiant aflat la un nivel superior de temperatura.

Pentru aceasta se va utiliza o mașină termică, de lucru, care va consuma energie. Această mașină va funcționa pe baza unui ciclu de lucru închis.

Teoretic, mașină frigorifică lucrează într-un ciclu Carnot inversat, numit și ciclu frigorific, prezentat în diagramă T-S din figura 1.2, în care s-au următoarele notații:

1-2: comprimare adiabatică în care se consumă lucru mecanic reprezentat de aria 1-2-3-4;

2-3: comprimare izotermă ( = constant) cu cedarea căldurii % (aria 2-3-b-a);

3-4: destindere adiabatică;

4-1: destindere izotermă cu preluare de căldură q (aria 4-1-a-b).

Figura 1.2 Ciclul Carnot

Ciclul Carnot inversat este ideal deoarece presupune:

-reversibilitatea transformărilor efectuate de un gaz aflat în permanent echilibru intern și extern.

-transformările sunt cvasistatice, presupunând comprimarea adiabatică (fără schimb de căldură cu exteriorul iar deplasarea pistonului compresorului făcându-se cu o viteză infinit mică), iar sursele de căldură sunt de capacitate infinită, nemodificandu-și temperatura când primesc sau cedează căldură.

Randamentul unui ciclu Carnot inversat care lucrează între temperaturile T și T2 este:

=

iar eficiența frigorifică a ciclului: E=

Ciclul Carnot nu poate fi realizat în formă anterioară întrucât comprimarea și destinderea izotermă a corpului care este supus la cele patru transformări se fac prin schimbarea stării de agregare, respectiv prin condensare (la comprimare) și vaporizare (la destindere), iar comprimarea adiabatică se realizează într-un compresor care trebuie să aibe asigurată funcționarea în zona vaporilor.

1.3. ASPECTE GENERALE PRIVIND INSTALAȚIA FRIGORIFICĂ ÎNTR-O TREAPTĂ DE COMPRIMARE

Capacitatea lichidelor reale de a absorbi cantități mari de căldură pentru a se vaporiza constituie baza sistemelor frigorifice cu comprimare mecanică de vapori. Că agenți de lucru,în timpul proceselor de vaporizare lichidele oferă o serie de avantaje din punct de vedere al controlului procesului:

-efectul de răcire poate fi demarat sau oprit relativ ușor;

-puterea frigorifică poate fi predeterminată cu suficientă precizie;

-nivelul temperaturii de vaporizare poate fi controlat prin intermediul presiunii la care lichidul vaporizează.

Vaporii rezultați pot fi colectați, condensați, asigurându-se astfel ciclicitatea procesului. Alegerea și utilizarea lichidelor reale că agenți frigorifici se face în funcție de proprietățile termofizice ale acestora, respectiv de dificultățile tehnice pe care le ridică folosirea lor în instalație.

Pentru realizarea ciclului unei instalații frigorifice, cu comprimare mecanică de vapori sunt necesare câteva componente principale, și anume:

-vaporizatorul 1 care este un schimbător de căldură, în care se obține

efectul frigorific prin fierberea agentului la presiune teoretic constantă cu

preluare de căldură de la mediul răcit;

-compresorul 3 are rolul de a aspira vaporii formați în vaporizator, îi comprimă și-i refulează spre condensator;

-condensatorul 5 în care are loc condensarea cu cedare de căldură spre mediul de răcire;

-robinetul de laminare 9, care scade presiunea și temperatura lichidului.

În figura următoare s-au făcut următoarele notații:

1-vaporizator;

2-conducta de aspirație;

3-compresor;

4-conducta de refulare;

5-condensator;

6-rezervor de lichid;

7-conducta de lichid;

8-dispozitiv de alimentare a vaporizatorului;

9-robinet (ventil) de laminare;

q1= cantitatea de căldură cedată prin condensarea unui Kg de agent frigorific;

Al=echivalentul caloric al lucrului mecanic de comprimare pentru un kilogram de vapori de agent frigorific;

p0=presiunea de vaporizare (joasă);

pK=presiunea de condensare (înaltă).

Figura 1.3 Părțile principale ale instalației frigorifice cu comprimare mecanică de vapori

Ciclul teoretic, cu stările fizice ale agentului în diferitele puncte ale instalației cuprinde următoarele transformări de stare a agentului frigorific:

-comprimarea adiabatică ireversibilă l’- 2;

-răcirea 2-2’;

-condensarea izotermă 2’-3 desfășurată izobar, cedându-se căldură mediului de răcire al condensatorului de temperatura Ta-subrăcirea 3-4 a lichidului prin schimb intern de căldură cu vaporii aspirați din vaporizator sau cu apă de răcire;

-laminarea izentalpă adiabată ireversibilă 4-5;

-vaporizarea izobar – izotermă 5-1 prin care se absoarbe căldură q0 de la mediul răcit, de temperatura T0;

-supraîncălzirea izobară 1-1’ prin schimb intern sau pe traseul de conducta dintre vaporizator și compresor.

Figura 1.4 Schema instalației frigorifice cu comprimare mecanică de vapori într-o treaptă

– vapori saturați uscați (p0,T0);

1' – vapori supraîncălziți (p0,T);

– vapori supraîncălziți (p,T);

2' – vapori saturați uscați (pk,Tk);

– lichid saturat (p,T);

– lichid subracit (p,T);

– amestec bifazic (p0,T0);

– lichid saturat (p,T).

Figura 1.5 Ciclul teoretic al instalației frigorifice cu comprimare mecanică de vapori într-o treaptă

Pentru explicarea fenomenelor s-au făcut următoarele notații:

Pentru temperaturi, k:

-temperatura din spațiul frigorific – Ts;

-temperatura de vaporizare – T0;

-temperatura de condensare – Tk;

-temperatura apei de răcire – Tw;

-temperatura de aspirație – Ta;

-temperatura de refulare: Tr. Pentru presiuni, Kgf/cm2:

-presiunea de vaporizare – p0;

-presiunea de condensare – p;

-presiunea de aspirație – pa;

-presiunea de refulare – pr.