Conf.univ.dr.ing. Violeta Ciucur Absolvent Emirolo Enis-Mehmet 2016 UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANȚA FACULTATEA DE ELECTROMECANICĂ NAVALĂ Studiul… [301609]

UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANȚA

FACULTATEA DE ELECTROMECANICĂ NAVALĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

Coordonator științific:

Conf.univ.dr.ing. Violeta Ciucur

Absolvent: [anonimizat]

2016

UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANȚA

FACULTATEA DE ELECTROMECANICĂ NAVALĂ

Studiul asupra acționării electrice a compresoarelor din instalațiile frigorifice navale

Coordonator științific:

Conf.univ.dr.ing. Violeta Ciucur

Absolvent: [anonimizat]

2016

Declarație

Prin prezenta declar că Proiectul de diplomă cu titlul „Studiul asupra acționării electrice a compresoarelor din instalațiile frigorifice navale” este scrisă de mine și nu a mai fost prezentată niciodată la o altă facultate sau instituție de învățământ superior din țară sau străinătate. [anonimizat], [anonimizat], cu respectarea regulilor de evitare a plagiatului:

[anonimizat], sunt scrise între ghilimele și dețin referința precisă a sursei;

reformularea în cuvinte proprii a textelor scrise de către alți autori deține referința precisă;

rezumarea ideilor altor autori deține referința precisă la textul original.

Constanța,

Absolvent: [anonimizat]4

Capitolul I

Acționări electrice

1.1 Structura generală a unui sistem de acționare electrică……………………………………6

1.2 Clasificarea sistemelor de acționare electrică S.A.E. în funcție de convertorul static………………………………………………………………………………………………………………………..8

1.3 Cinematica acționărilor electrice ………………………………………………………………15

1.4 Ecuația fundamentală a mișcării………………………………………………………………..19

Capitolul II

Instalații   frigorifice navale

2.1 Noțiuni generale ……………………………………………………………………………………….22

2.2 Producerea frigului artificial in instalatiile frigorifice cu compresor si racire directa …………………………………………………………………………………………………………..23

2.3 Instalatii frigorifice……………………………………………………………………………………24

Capitolul III

Compresoare frigorifice

3.1 Considerații generale. Clasificare

3.1.1 Compresoare cu piston…………………………………………………………………..27

3.1.2 Compresoare ermetice și semiermetice……………………………………………38

3.1.3Compresoare elicoidale sau compresoare cu șurub……………………………45

3.1.4Compresoare volumice rotative………………………………………………………53

3.1.5 Compresoare centrifugale……………………………………………………………..60

Capitolul IV

Funcțiile sistemului de automatizare a unei instalații frigorifice cu maimulte spații răcite……………………………………………………………………………………………………………….63

Concluzii………………………………………………………………………………………………………………….67

Bibliografie………………………………………………………………………………………………………………69

Introducere

In Europa, printre primele nave cu mașini cu abur si roti cu zbaturi a fost vaporul Elisabeta, construit Ia Petersburg si lansat in 1815 pentru navigație, pe ruta Petersburg – -Kronstadt.

Pentru o perioada de circa un secol, s-a folosit o soluție mixta, nava cu vele si mașini cu abur, care au continuat sa fie folosite încă mult timp cu rezultate bune.

Prima nava comerciala cu mașina de abur, numita CLAIRMONT, a fost construita după proiectul lui Robert Fulton. Nava, cu 0 Iungime de 45,72 [m] si un deplasament de 100 [t], trebuia sa asigure legătura pe Hudson intre New – York si Albany. Prima cursa a fost realizata Ia 17 august 1807, cu viteza de circa 7,5 [km/h], având o mașina alternativa cu abur, verticala, de 18 CP, care antrena propulsorul, o roata cu pale din lemn. nava era prevăzută și cu vele care se foloseau pentru propulsie când era vânt favorabil.

La începutul anului 1900, au apărut primele nave Ia care propulsia era realizata exclusiv cu mașini alternative cu abur. Tot cu asemenea mașini erau acționate si mecanismele auxiliare ale acestor nave.

Primele nave cu turbine cu abur au fost construite si puse in exploatare in anul 1898. In 1910 s-a realizat prima instalație de propulsie cu turbine cu abur, Ia care intre turbina si propulsor s-a introdus un reductor. Ulterior, s-au construit asemenea nave, dotate cu transmisie electrica sau hidraulica.

Primul motor cu ardere interna a apărut in 1860 la Paris, așa numitul motor Lenoire care funcționa cu aprindere prin scânteie cu gaz de iluminat. Dar acesta s-a dovedit a fi un motor imperfect deoarece o mica parte a energiei se transforma in lucru mecanic si greutate foarte mare; insa primele motoare Diesel monocilindrice au fost construite in 1897 in Germania la fabrica de mașini din Augsburg si in Elveția la fabrica de mașini din Winterhur.

Iată ca de la apariția primului motor Diesel monocilindru până la apariția primului motor policilindru a fost nevoie doar de 6 ani, deoarece de-abia in anul 1903 apar primele instalații navale de propulsie cu motoare Diesel policilindrice, când in Rusia a fost construita nava “VANDAL”, pe care s-au instalat trei motoare, având fiecare trei cilindri si dezvoltând 1200P. Cele trei propulsoare (elice) erau acționate cu electromotoare.

Prima instalație de propulsie cu turbine de gaze, având camera de ardere, s-a construit in Anglia (1951) si a test montata pe petrolierul maritim “AURIS”. Ulterior, au mai fost construite si alte asemenea sisteme de propulsie. Datorita economicității lor scăzute, aceste instalații de propulsie se afla încă in stadiul experimental.

Descoperirea energiei atomice si folosirea ei in scopuri pașnice a intervenit cu implicații mari si in propulsia navelor. Începând din anul 1955, s-au construit mai întâi sisteme de propulsie cu energie atomica pentru navele militare, după care s-au aplicat si la navele comerciale. Economicitatea acestor sisteme de propulsie deocamdată este scăzuta, iar masa lor este mult mai mare comparativ cu masa instalațiilor care folosesc combustibil clasic. Datorită acestor dezavantaje, asemenea sisteme de propulsie nu s-au răspândit.

Prin instalație navala de propulsie se definește complexul format din mașinile principale si auxiliare, care au rolul de a transforma energia conținută in combustibil in energie termica, mecanica, electrica si hidraulica, destinata pentru:

Deplasarea navei, in condiții normale de exploatare, cu viteza prevăzuta, pe drumul dorit;

Funcționarea mașinilor si a instalațiilor ce deservesc mașinile principale de propulsie;

Alimentarea cu energie electrica a aparaturii de navigație, a instalațiilor de semnalizare si a aparatelor si sistemelor de măsura, control si comanda, a sistemului de propulsie si a altor instalații;

Acționarea mecanismelor de punte folosite pentru diverse operațiuni in timpul exploatării navei;

Funcționarea instalațiilor care asigura condiții normale de viata pentru calatori si echipajul navei;

Funcționarea diferitelor agregate si instalații care îndeplinesc sarcini deosebite la bordul navei.

Capitolul I

Acționări electrice

1.1 Structura generală a unui sistem de acționare electrică

Noțiunea de acționare presupune efectuarea unui lucru mecanic. Prin acționare electrică se înțelege că energia mecanică se obține de la un motor electric. În sensul clasic o acționare electrică cuprinde:

Figura 1.1 Schema bloc a unei acționări electrice

S.E.E. – sursa de energie electrică, ce furnizează energia electrică având parametrii corespunzători funcționării motorului electric.

M.E. – motorul electric transformă energia electrică în energie mecanică cu anumiți parametrii. De regulă această energie se materializează printr-o mișcare de rotație astfel încât parametrii ce o caracterizează sunt:

m – cuplu [N*m.]

ω – viteza unghiulară [rad/s]

p = m

M.T. – mecanismul de transmisie. Are rolul de a adapta parametrii energiei mecanice furnizate de motorul electric la cerințele mașinii de lucru [M.L]. Uneori poate schimba și tipul mișcării (de exemplu mecanismul bielă-manivelă care transformă mișcarea de rotație în mișcare de translație sau invers). Parametrii ce caracterizează mecanismul de translație sunt:

i – raportul de transmisie

i =

– randamentul mecanismului de transmisie.

M.L. – mașina de lucru, reprezintă instalația care transformă energia mecanică în lucru util sau produs finit. Exemple: tramvaiul, locomotiva, mașini-unelte, roboții, roboții casnici, etc.

Acționările electrice au ponderea cea mai mare în consumul de energie electrică. Se precizează ca peste 60% din energia electrică produsă este folosită în acționările electrice. Dezvoltarea electronicii de putere și a electronicii de comandă a determinat apariția unui flux informațional foarte important dar și completarea structurii energetice astfel încât în prezent se discută despre sisteme de acționare electrică.

Schema bloc a unui sistem de acționare electrică este prezentată în figura 1.2:

Figura 1.2 Schema bloc a unui sistem de acționare electrică

Pe fluxul energetic constatăm apariția a două noi blocuri: B.A.P. – bloc de adaptare și protecție, care are rolul de a adapta parametrii energiei electrice (de ex. transformatoarele electrice) și îndeplinește anumite funcții de protecție (exemplu: protecția la scurtcircuit, la supratensiuni) C.S. – convertor static,transformă energia electrică de un anumit tip (c.c. sau c.a.) având de regulă parametrii constanți tot într-o energie electrică ai cărei parametrii pot fi modificați prin comandă.

Convertoarele statice sunt echipamente electrice realizate cu elemente specifice electronicii de putere (diode, tiristoare, tranzistoare) având și o parte de comandă importantă. Partea de comandă are rolul de a furniza și distribui semnalele de comandă în funcție de topologia părții de forță astfel încât să se comande puterea electrică transmisă motorului. Astfel, convertoarele statice (C.S.) au într-un sistem de acționare o importanță cel puțin egală cu cea a motorului electric.

Pe fluxul informațional ( săgeata continuă simplă) avem: B.I.D – bloc de introducere a datelor. Acesta poate fi constituit dintr-un sistem de chei și butoane, poate fi terminalul de intrare pentru un sistem de calcul ( tastatură, unitate de disc, etc.). Are rolul de a introduce în sistem datele primare necesare funcționării acestuia. B.R. – blocul regulator, are rolul de a realiza o anumită lege de comandă în funcție de tipul regulatoarelor componente. Funcționează pe baza erorii dintre mărimile prescrise (dorite) primite de la blocul de introducere a datelor și mărimile reale existente în sistem. În sistemele moderne între B.I.D. și C.S. se interpune un bloc de calcul (B.C.). Blocul de calcul conține un microsistem sau un calculator specializat ce realizează sub formă numerică inclusiv legea de comandă. Se vorbește în acest caz despre un sistem de conducere numerică directă. Pe fluxul informațional invers avem: C.M.M. – convertor al mărimilor măsurate – are rolul de a culege din sistem anumite mărimi (tensiune, curent, cuplu, viteza, etc.) și de a le transforma în mărimi electrice de nivel și formă corespunzătoare și apoi le transmite către B.R. sau B.C. Acesta conține un set de traductoare, convertoare analog-numerice, blocuri de eșantionare, de memorare, etc.

În concepția modernă C.M.M. are structura unui sistem de achiziție și prelucrare de date. Pe lângă fluxul informațional util apar in sistemele de acționare o serie de mărimi independente de voința noastră care își exercită influența asupra acestuia. Aceste mărimi poartă denumirea de mărimi perturbatoare.

Exemple de perturbații: temperatura mediului ambiant, fenomene atmosferice (descărcări), variații ale energiei primită de la sursa primară, cuplul static ca perturbație aupra motorului electric, etc.

1.2 Clasificarea sistemelor de acționare electrică S.A.E. în funcție de convertorul static

Noțiuni generale – caracterizarea energiei electrice la ieșirea convertorului static Convertorul static furnizează energia elctrică ai cărei parametrii au forme de undă diferite față de cele ale surselor clasice. Astfel energia de c.c. nu este caracterizata in regim permanent/staționar de tensiune și curent constante în timp, iar energia de c.a. nu este caracterizata de tensiune și curent sinusoidal. Din acest motiv caracterizarea din punct de vedere energetic se face prin valorile prezentate mai jos:

I. Energia de curent continuu

Sursa clasică de c.c. este caracterizată de valorile U, I (fig.1.3)

Figura 1.3 Formele de undă ale curentului și ale tensiunii ce caracterizează sursa clasică

Figura 1.4 Formele de undă ale curentului și ale tensiunii ce caracterizează convertoarele statice

Convertoarele statice cu ieșirea în c.c. dau tensiune și curent variabile în timp, dar periodice (fig.1.4). Astfel, energia de c.c. de la ieșirea unui convertor static este caracterizată de valorile medii ale tensiunii și curentului.

Tensiunea medie se notează cu Ud și este definită astfel:

(1.1)

II. Energia de curent alternativ clasică este caracterizată de valorile tensiunii și curentului ce au variații sinusoidale.

Figura 1.5 Forma de undă a tensiunii ce caracterizează sursa clasică

Astfel:

(1.2)

unde:

u,i – valori instantanee;

U,I – valori efective sau eficace;

√2U , √2I – amplitudini;

– pulsația, definită ca fiind:

(1.3)

α – faza inițială a curentului.

În cazul convertoarelor cu ieșire în c.a., curentul și tensiunea nu mai au variații sinusoidale, dar sunt alternative și simetrice (fig.1.6).

Fig 1.6. Formele de undă ale curentului și ale tensiunii ce caracterizează convertoarele statice

În acest caz tensiunea și curentul sunt caracterizate de:

– valoare efectivă a fundamentalei;

– valoare efectivă globală sau totală;

– factorul total de distorsiune armonică.

O tensiune sau curent cu variație periodică și simetrică se poate descompune în serie Fourier :

(1.4)

Se constată că:

termenii de sub sumă au pulsațiile: , 2 , 3,…n (pulsațiile sunt multipli ai pulsației fundamentale); pulsația fundamentală corespunde frecvenței tensiunii reale care se descompune.

– Ak, Bk se numesc amplitudinile componentelor în sinus și respectiv în cosinus.

(1.5)

Termenii corespunzători lui k = 1, 2 , 3, … n se numesc armonici. Pentru: k = 1 – armonică fundamentală; k > 1 – armonică superioară. Uk – reprezintă valoarea efectivă a armonicii de ordinul k și este:

(1.6)

– faza inițială a armonicii de ordinul k

(1.7)

Valoarea efectivă (totală sau globală) se definește astfel:

(1.8)

Factorul total de distorsiune armonică caracterizează gradul de deformare al undei respective (tensiune sau curent) față de unda sinusoidală.

(1.9)

O definiție mai veche care există încă în unele standarde este:

(1.10)

Clasificarea S.A.E.

1. Sisteme de acționare cu motoare de curent continuu

a. Sisteme de acționare electrică cu motoare de curent continuu și redresor complet comandat

b. Sisteme de acționare electrică cu motoare de curent continuu și variator de tensiune continuă (V.T.C.)

2. Sisteme de acționare electrică cu motoare asincrone și/sau S.A.E cu motoare sincrone

a. Sisteme de acționare electrică cu motor asincron și variator de tensiune alternativă

b. Sisteme de acționare cu motor asincron și convertor static de tensiune și frecvență

Atât valoarea efectivă a tensiunii „U” cât și frecvența „f” corespunzătoare energiei de curent alternativ care alimentează motorul asincron pot fi modificate prin comandă.

Această categorie de sistem s-a dezvoltat mult în ultima perioadă și are cea mai mare răspândire.

Aceste sisteme se clasifică: b.1 – S.A. cu M.A. și C.S.T.F. direct (cicloconvertor) – acesta realizează conversia energiei de c.a. tot în energie de c.a. în mod direct fără a se trece prin forma de energie de c.c. b.2 – S.A. cu M.A. și C.S.T.F. indirect.

Figura 1.7 Schema de principiu a S.A.E. cu M.A. și convertor static de tensiune și frecvență indirect

În consecință un C.S.T.F. indirect este format dintr-un redresor, un invertor și un circuit intermediar C.I. de curent continuu care face legătura dintre redresor și invertor. În general circuitul intermediar este caracterizat de o bobină de inductivitate „Ld” și un condensator de capacitate „Cd”.

După caracterul circuitului intermediar aceste sisteme se clasifică:

b.2.1 – S.A. cu M.A. și C.S.T.F. indirect sursă de tensiune: – În acest sistem circuitul intermediar are caracter de sursă de tensiune caracter ce este determinat de valoarea importantă a capacității condensatorului „Cd” (bobina „Ld” are o valoare nesemnificativă.

b.2.1’ – S.A. cu M.A. și C.S.T.F indirect sursă de curent: – În acest sistem circuitul intermediar are caracter de sursă de curent, caracter ce este imprimat de bobina „Ld” de valori importante (condensatorul „Cd” are valoare nesemnificativă sau poate lipsi din circuit)

După modul cum se reglează valoarea efectivă de tensiune de la bornele motorului asincron, S.A. cu M.A. și C.S.T.F. indirect se clasifică astfel:

b.2.2 – S.A. cu M.A. și C.S.T.F. indirect cu modulație în amplitudine – valoarea efectivă a tensiuni ce alimentează motorul se reglează prin modificarea amplitudinii treptelor din care tensiunea este formată. Amplitudinea treptelor este proporțională cu valoarea medie a tensiunii din circuitul intermediar. În consecință aceasta trebuie să se modifice din redresor și prin urmare redresorul trebuie să fie comandat.

b.2.2’ – S.A. cu M.A. și C.S.T.F. indirect cu modulație în durată – valoarea efectivă a tensiuni ce alimentează motorul se reglează prin modificarea duratei pulsurilor din care este formată (amplitudinea pusurilor este constantă). În consecință redresorul din acest sistem este necomandat iar din comanda invertorului se reglează valoarea efectivă a tensiunii cât și frecvența.

1.3 Cinematica acționărilor electrice

Prin cinematică se înțelege studiul elementelor de mișcare. În cadrul acționărilor electrice întâlnim două tipuri de mișcare:

Mișcarea de rotație – caracterizată de mărimile:

α – spațiul unghiular [rad]

– viteza unghiulară [rad/s]

ε – accelerația unghiulară [rad/s2]

s – șocul [rad/s3]

Mișcarea liniară – caracterizată de mărimile:

x – spațiul [m]

v – viteza [m/s]

a – accelerația [m/s2]

s’ – șocul [m/s3]

Șocul – mărime cinematică specifică acționărilor electrice și caracterizează eforturile dinamice de scurtă durată ce apar in elementele de transmitere a mișcării.

Între aceste mărimi specifice unui anumit tip de mișcare există succesiv relații de tip diferențial sau integrator. Aferent mișcării de rotație aceste relații sunt:

– de tip diferențial:

– de tip integrator

Datorită acestor relații pentru a caracteriza complet o acționare electrică este necesar să cunoaștem o singură mărime și o serie de condiții inițiale și finale. De cele mai multe ori se pornește de la variația în timp a vitezei care poartă numele de tahogramă.

După forma geometrică există o mare varietate de tahograme:

triunghiulare

trapezoidale

parabolice

cu șoc limitat, etc.

Considerăm o tahogramă trapezoidală ca in figura de mai jos.

Există 3 timpi (intervale):

ta – un interval (timp) de accelerare

ts – un interval (timp) de funcționare în regim staționar

td – un interval (timp) de decelerare

Un ciclu complet de funcționare este descris de timpul de ciclu „tc” care conține și timpul de pauză ‚t0’.

– timpul de lucru

– timpul de ciclu.

Se considera evolutia marimilor pe cele trei intervale:

pe intervalul t (0, ta)

Pe acest interval mișcarea este uniform variată (=ct ) iar accelerația este constantă și este egală cu = a

Cum

Deci șocul este nul. Ținând cont de expresia ce descrie evoluția vitezei se obține:

Dar în punctul de origine a sistemului de axe, evoluția vitezei este nulă (0) = 0. Punând această condiție inițială va rezulta valoarea constantei de integrare C1=0. Se obține astfel:

Ținând cont de expresia ce descrie evoluția spațiului se obține:

Figura 1.8 Tahogramă trapezoidală

Dar în punctul de origine a sistemului de axe, evoluția spațiului este nulă . (0) = 0. Punând această condiție inițială va rezulta valoarea constantei de integrare C2=0.

Evoluția spațiului din punct de vedere grafic reprezintă o parabolă convexă cu vârful în origine.

Pentru a determina evoluția șocului în punctele în care accelerația este discontinuă se calculează următoarele limite:

pe intervalul t (ta, ta + ts)

Pe acest interval viteza este constantă și este egală cu viteza de regim staționar, iar accelerația și șocul sunt nule.

Ținând cont de expresia ce descrie evoluția spațiului se obține:

În punctul de coordonate (ta, 0), spațiul are valoarea . (ta) = a

Dar

Deci evoluția spațiului este data de expresia s (t – ta) + a și din punct de vedere grafic reprezintă o dreaptă.

pe intervalul t ( ta + ts, t1)

Pe acest interval mișcarea este uniform variată (=ct) iar accelerația este constantă , egală cu și este negativă. În modul accelerația este egală cu cea de pe primul interval =

Cum

Deci șocul este nul. Ținând cont de expresia ce descrie evoluția vitezei se obține:

Ținând cont de expresia ce descrie evoluția spațiului se obține:

Evoluția spațiului din punct de vedere grafic reprezintă o parabolă concavă.

Se constată că în punctele în care acceleratia este discontinuă șocul are teoretic valori infinite, în realitate datorită inertiei mecanice socul nu poate fi infinit. Are însă o valoare foarte mare care solicită puternic elementele de transmitere a mișcării și provoacă efecte fiziologice neplacute asupra persoanei.

1.4 Ecuația fundamentală a mișcării

Se consideră acționarea electrică în care motorul electric este cuplat direct pe același arbore cu mașina de lucru (M.L.)

Figura 1.9 Schema bloc a unei acționari electrice în care motorul electric este cuplat direct pe același arbore cu mașina de lucru

Pentru a putea fi luată în considerație și energia maselor aflate în mișcare se consideră că aceste mase sunt concentrate într-un volant V.

WM – energia mecanică furnizată de motor la arborele motorului

WL – energia mecanică furnizată de mașina de lucru la arborele acesteia

EC – energia cinetică înmagazinată în masele aflate în mișcare

J – momentul de inerție total al acționării [kg·m2]

Dacă energia se transmite de la motorul electric spre mașina de lucru atunci între aceste energii există relația:

Ecuația poate fi pusă sub forma:

Unde md = J se definește ca fiind cuplu dinamic.

Dacă

Cuplul dinamic este un efect al acțiunii cuplului motor și cuplului static.

Într-un regim staționar în regimul de coordonate punctele staționare de funcționare se găsesc la intersecția dintre caracteristica mecanică a motorului electric și caracteristica mecanică a mașinii de lucru.

Capitolul II

Instalații   frigorifice navale

2.1 Noțiuni generale

Navele in general sunt dotate cu instalatii frigorifice, destinate asigurarii unor regimuri de temperaturi scazute, cu urmatoarele utilizari:

– instalatii frigorifice de cambuza, pentru pastrarea alimentelor, cu regimuri diferite de temperatura = se intilnesc la majoritatea navelor maritime;

– instalatii frigorifice pentru congelarea, depozitarea si pastrarea pestelui sau produselor de peste = se intilnesc la navele de pescuit oceanic;

– instalatii frigorifice cu capacitati mari, montate pe nave frigorifice destinate pastrarii si transportului de produse alimentare cum ar fi: peste, carne, unt, etc.;

– instalatii frigorifice montate pe navele transportoare de gaze lichefiate;

– instalatii frigorifice pentru climatizare, in vederea asigurarii unui regim optim de temperatura si umiditate a aerului, necesar confortului echipajului sau pasagerilor, precum si unor procese tehnologice in unele cazuri;

– frigidere de tip casnic, necesare pastrarii unor cantitati mici de alimente si pe timp scurt.

Instalatiile frigorifice se clasifica dupa mai multe criterii:

– dupa modul de producere a frigului, in:

a) instalatii frigorifice cu comprimare de vapori cu racire directa;

b) instalatii frigorifice cu comprimare de vapori cu racire indirecta prin agent intermediar (saramura);

c) instalatii frigorifice prin absorbtie de tip frigider;

d) etc.

– dupa modul de realizare al comprimarii, in:

a) instalatii mecanice cu compresor intr-o treapta de comprimare;

b) instalatii mecanice cu compresor in doua trepte de comprimare;

c) instalatii mecanice cu compresor in trei trepte de comprimare.

2.2 Producerea frigului artificial in instalatiile frigorifice cu compresor si racire directa

In practica navala cele mai folosite sisteme frigorifice sunt cele cu comprimare de vapori (cu ajutorul compresoarelor).

Producerea frigului artificial are la baza absorbtia decaldura de la corpurile (spatiile) ce trebuiesc racite, cu ajutorul unor fluide, denumite agenti frigorifici si transmiterea acestei calduri mediului inconjurator.

In principiu, vaporii de agent frigorific sunt comprimati cu ajutorul compresoarelor, apoi lichefiati prin racire in condensatoare, dupa care se vaporizeaza in interiorul unor serpentine (vaporizatoare) instalate in spatiile de racire. Vaporizarea facindu-se prin absorbtie de caldura, va avea ca efect scaderea temperaturii in aceste spatii.

Cei mai utilizati agenti frigorifici in instalatiile navale sunt: amoniacul si freonii.

In figura de mai jos sunt reprezentate partile componente si circuitul celei mai simple instalatii frigorifice:

Figura 2.1 Instalația frigorifică

Compresorul C, absoarbe vaporii reci formati in vaporizatorul V, a caror stare este caracterizata de punctul a. Vaporii sunt comprimati adiabatic (fara schimb de caldura) in compresor, marindu-le presiunea si implicit temperatura pina la starea din punctul b, de vapori saturati uscati.

In condensorul K vaporii de agent frigorific refulati de compresor se lichefiaza (condenseaza) la temperatura si presiune constanta (t si p = ct.).

In ventilul de laminare VL, se produce laminarea agentului frigorific lichefiat, unde, ca efect al destinderii adiabatice, agentul este partial vaporizat, aflindu-se intr-o stare de fierbere. In vaporizatorul V, agentul frigorific iesit din ventilul de laminare continua fierberea partii de lichid, transformindu-se in vapori la presiuni si temperaturi scazute si constante (to si po = ct.), absorbind caldura latenta de vaporizare necesara qo (kcal/kg) de la mediul pe care-l raceste sau il mentine la temperaturi scazute.

Cu acest proces termodinamic, vaporizarea d – a, ciclul se inchide, prin repetarea sa, efectul frigorific de racire este continuu.

2.3 Instalatii   frigorifice

2.3.1 Instalatii frigorifice cu o treapta de comprimare.

In figura de mai sus s-a reprezentat cea mai simpla instalatie frigorifica cu compresor intr-o singura teapta de comprimare, utilizata in cazul instalatiilor cu puteri frigorifice mici, sub 5 000 kcal daN/h.

Exista instalatii intr-o singura treapta de comprimare de puteri frigorifice mai mari (peste 5 000 – 10 000 kcal daN/h).

Aceste instalatii contin si alte parti componente ca de exemplu:

– separator de lichid care separa agentul lichid ramas nevaporizat in serpentina vaporizatorului;

– subracitor (supraracitor) care sa raceasca si mai mult agentul lichid racit in condensator;

– rezervor de lichid plasat sub condensator in scopul acumularii lichidului, lasind astfel permanent descoperita suprafata tevilor condensatorului pentru efectuarea schimbului de caldura intre apa de racire si agentul frigorific.

2.3.2 Instalatii frigorifice cu doua trepte de comprimare.

In cazul temperaturilor ridicate a apei de racire de la condensator sau temperaturi de vaporizare prea coborite care duc la incalziri neadmisibile a vaporilor la sfirsitul comprimarii, se intrebuinteaza instalatiile in 2 sau 3 trepte.

Mai jos este prezentată schema unei instalatii frigorifice cu doua trepte de comprimare (in schema s-a figurat un singur vaporizator):

Figura 2.2 Schema unei instalatii frigorifice cu doua trepte de comprimare

Vaporii formati in vaporizatoarele 7, dupa ce trec printr-un separator de lichid 6 sunt aspirati de compresorul 1 (de joasa presiune cu 2 cilindri).

Compresorul de joasa presiune refuleaza vaporii intr-un recipient 2, numit butelie de presiune intermediara, care primeste agent lichid de la rezervorul 4 printr-un ventil de reglare, astfel incit o treime de butelie sa fie plina cu agent lichid.

Vaporii trimisi de compresorul de joasa presiune sunt obligati sa treaca prin stratul de lichid, deoarece conducta prin care vaporii intra in butelie are capatul sub nivelul lichidului; astfel vaporii racindu-se, vaporizeaza o parte din lichidul din butelie.

Din butelia de racire intermediara, vaporii sunt aspirati de un al doilea compresor 3 numit compresor de inalta presiune, care dupa comprimarea lor îi trimite la condensatorul 5.

Lichidul format in condensator se scurge in rezervorul 4 si de aici in butelia de presiune intermediara, care indeplineste si rolul de preracitor (supraracitor) de lichid.

Capitolul III

Compresoare frigorifice

3.1 Considerații generale. Clasificare

Principalele tipuri de compresoare utilizate în tehnica frigului și domeniile de utilizare

ale acestora sunt prezentate în tabelul 3.1.

Tabelul 3.1 Tipuri de compresoare frigorifice și domeniile de utilizare

3.1.1 Compresoare cu piston

Compresoarele cu piston fac parte din familia compresoarelor volumice alternative și

pot fi de trei tipuri constructive:

– deschis, reprezentat în figura 3.1;

– semiermetic, reprezentat în figura 3.2;

– ermetic, reprezentat în figura 3.3.

Figura 3.1 Compresor deschis

Figura 3.2 Compresor semiermetic

Figura 1.3. Compresor ermetic

Compresoarele deschise se pot cupla cu motoare separate, de tip electric sau termic și

pot vehicula orice tip de agent frigorific. În general sunt utilizate pentru puteri frigorifice medii și mari.

Compresoarele semiermentice sunt cuplate direct la un motor electric închis într-un

carter demontabil comun. Nu pot vehicula decât freoni și se utilizează pentru puteri medii.

Compresoarele ermetice se aseamănă cu cele semiermetice, dar sunt închise împreună

cu motorul într-o carcasă etanșă nedemontabilă (sudată). Nu pot vehicula decât freoni și se

utilizează pentru puteri mici și medii.

Realizarea comprimării

În figura 3.4 este reprezentat interiorul unui compresor deschis cu piston.

Figura 3.4 Interiorul unui compresor deschis cu piston

1 – supapă de aspirație; 2 – resort pentru prevenirea loviturilor hidraulice; 3 – piston; 4 – cămasă de cilindru; 5 – canal de aspirație

Din punct de vedere constructiv, compresoarele frigorifice nu se diferențiază fundamental de cele utilizate pentru alte gaze.

– în general compresoarele sunt cu simplu efect;

– comprimarea se realizează politropic;

– în compresoarele industriale sunt foarte utilizate supapele cu discuri inelare, care se

întâlnesc uneori și în cele semiermetice, în locul supapelor lamelare;

– răcirea cilindrilor este cel mai adesea realizată de vaporii aspirați, care în consecință

se încălzesc în procesul de aspirație;

– răcirea vaporilor în timpul comprimării se poate realiza prin injecție de agent

frigorific lichid (ceea ce prezintă însă pericolul producerii de lovituri hidraulice, deci

nu este o metodă utilizată în mod curent);

– comprimarea în două trepte este avantajoasă dacă raporul de comprimare depășește

valoarea 7, sau dacă temperatura finală de refulare depășește valoarea de 125…135°C;

– între treptele de comprimare se realizează răciri intermediare, de regulă cu apă sau cu

aer.

Cilindrii – pot fi prelucrați prin procedee de precizie ridicată, direct în corpul carterului, până la suprafața oglindă, sau pot fi realizați din cămăși amovibile prelucrate din fontă extrafină centrifugată, având tot suprafața oglindă. Partea inferioară a cămășii se montează pe carter, iar în partea superioară a acesteia se montează supapele de aspirație.

Diametrul interior definește alezajul D, exprimat în milimetri. Chiulasa care închide cilindrii poate să fie comună pentru mai mulți cilindri.

Pistonul – este realizat din aliaj de aluminiu, cu o prelucrare particulară a capului, conformă cu forma supapelor, în scopul reducerii la minim a spațiului mort. Pistonul este prevăzut cu doi sau trei segmenți din fontă cromată și un segment raclor pentru uleiul de ungere.

În fusta pistonului sunt prevăzute orificiile pentru montarea bolțului, realizat sub formă tubulară din oțel de înaltă rezistență (90 kgf/mm2). Pe bolț este asamblat piciorul bielei.

Deplasarea pistonului între punctul mort interior și punctul mort exterior, constituie cursa S, exprimată în milimetri și indicată de firmele constructoare în cataloage.

Pentru a menține viteza vaporilor la trecerea acestora prin supape, într-un domeniu de valori convenabile, se realizează rapoarte D/S de ordinul 1,3…1,4. În plus, în general nu se depășește o viteză medie liniară a pistoanelor u, de 4 m/s. În consecință se pot scrie două relații care permit definirea limitelor acceptabile ale S și D, pentru turațiile de sincronism ale motoarelor electrice de antrenare a compresoarelor:

Tabelul 3.2 Valorile parametrilor constructivi S și D pentru diferite turații de sincronism

Supapele – ca și la majoritatea compresoarelor pentru diverse gaze, sunt realizate din

discuri inelare concentrice, cele de aspirație la periferie, iar cele de refulare în zona axială, ca

în figura 3.5. Cursa supapelor este redusă, iar secțiunile de trecere se calculează pe baza următoarelor viteze:

– 30…40 m/s pentru freoni;

– 50…60 m/s pentru amoniac.

Figura 3.5 Blocul supapelor

1 – difuzor; 2 – resort ondulat; 3 – amortizor; 4 – supapa; 5 – scaun interior

Legislațiile unor țări europene impun ca pentru compresoarele deschise având cilindreea peste 25 m3/h pe cilindru, să fie prevăzut un dispozitiv anti lovituri hidraulice, care

poate să fie reprezentat de un resort elicoidal. Acesta menține în poziție normală de funcționare ansamblul supapelor de refulare, dar în cazul unui aflux de lichid, resortul trebuie să se poată comprima și să lase supapa să se ridice de pe scaunul său, pentru a permite curgerea lichidului.

Canale sau colectoare – vaporii de agent frigorific sunt admiși în cilindrii și sunt evacuați din aceștia prin intermediul canalelor sau colectoarelor, care sunt realizate în carter sau în afara acestuia. Ultima soluție constructivă evită supraîncălzirea vaporilor aspiraților datorită contactului cu masa metalică a carterului, care în timpul funcționării compresorului este caldă.

Câteva elemente constructive ale compresoarelor cu piston sunt prezentate în figura 3.6.

Figura 3.6 Părți componene ale compresoarelor cu piston

Coeficientul de debit – Spațiul mort al compresoareelor frigorifice este situat între 1…4%, iar coeficientul de debit depinde de natura agentului frigorific, în particular de valoarea exponentului politropic.

Particularități mecanice

Compresoarele frigorifice actuale diferă puțin de la un constructor la altul și în afara unor detalii tehnologice, au în comun cinci elemente specifice, care prezintă unele particularități față de compresoarele pentru gaze.

Carterul – se realizează în general din fontă cu granulație fină (Ft25), etanșă pentru

agenții frigorifici și turnat dintr-o singură bucată, cu toate orificiile pentru montarea cămășilor de cilindri, cuzineților pentru lagărele palier și pentru vizitare.

Grosimile fontei sunt determinate pentru a rezista la presiunile care se manifestă în

diferite zone ale compresorului. După realizarea prelucrărilor mecanie (uzinaj), carterul este supus unor probe hidraulice la o presiune de două ori mai mare decât cea nominală de lucru.

Cilindrii sunt dispuși în linie, în V în W sau în VV, adică în stea. Astfel se pot realiza

mașini cu 2, 3, 4, 6, 8, 9, 12 sau 16 cilindri. În acest mod constructorii pot să realizeze serii de

compresoare bazate pe una sau două perechi de alezaj / cursă (D/S), în condițiile unei foarte

bune compactități, unui echilibraj foarte bun și cu un număr redus de ambielaje și elemente constructive (dintre care multe sunt comune unei întregi serii de compresoare).

Pentru un compresor cu i cilindri, volumul descris de piston, sau volumul baleiat denumit și cilindree, se calculează cu relația:

Carterul prezintă două spații despărțite de un perete obținut prin turnare:

– partea superioară cuprinde cămășile de cilindru și constituie camera de aspirație;

– partea inferioară cuprinde arborele cotit (vibrochenul) și baia de ulei.

Cele două spații comunică între ele prin orificii de echilibrare a presiunii, astfel încât și partea inferioară a carterului să se găsească tot la presinea de aspirație.

Această dispunere prezintă următoarele avantaje:

– partea inferioară se găsește la presiuni apropiate de cea atmosferică, deci sunt posibile deschiderea și accesul în interior pentru operații de întreținere;

– permite returul spre baia de ulei a uleiului care se separă de vaporii de agent în camera de aspirație;

– permite degazarea uleiului de vaporii de agent frigorific.

Accesul pentru operații de întreținere este facilitat de existența unor deschideri pentru

vizitare, prevăzute cu capace demontabile și a unor diferite bosaje care permit racordarea de manometre de control sau a unor organe de siguranță.

Arborele cotit și bielele – se diferențiază de cele utilizate în celelalte compresoare.

Câteva elemente specifice sunt următoarele:

– arborele cotit este realizat din oțel matrițat sau adesea din fontă nodulară; este

dimensionat cu atenție, iar masele de echilibrare, solidare cu arborele, preiau forțele rezultante – orizontale și verticale – ca și neuniformitățiile mișcării.

– arborele se rotește în paliere lise, prevăzute cu cuzineți antifricțiune realizate dintr-un

aliaj pe bază de plumb sau alte materiale, pe un suport metalic subțire, caz în care cuzineții se pot înlocui, respectiv în paliere cu bile sau rulmenți, iar uneori se utilizează o combinație a celor două variante;

– suprafețele pe care se montează palierele lise se tratează termic pentru a atinge o duritate de ordinul a 50 kgf/mm2;

– dacă numărul de cilindri este mai mare de 8, în general este prevăzut un palier intermediar;

– arborele este penetrat de canale destinate circulației uleiului de ungere;

– bielele matrițate dintr-un aliaj de aluminiu, sunt prevăzute în capul acestora cu cuzineți antifricțiune amovibili, iar în picior cu o garnitură din bronz;

– în anumite cazuri, bielele nu prezintă nici cuzineți nici garnitură, iar când se ating cotele de uzură definite de constructor, bielele sunt înlocuite cu totul;

– uneori bielele sunt prevăzute cu canale pentru asigurarea curgerii uleiului dinspre cap spre picior;

Pentru compresoarele deschise, arborele iese în exterior, astfel încât trebuie prevăzute două dispozitive particulare:

– o garnitură rotativă (presgarnitură) – care crează o barieră între carterul aflat sub presiunea agentului frigorific și atmosferă. Pentru aceasta majoritatea constructorilor au adoptat un sistem de tip garnitură mecanică. Dacă în timpul funcționării carterul trebuie să lucreze sub depresiune, garnitura prezintă două sisteme de etanșeitate opuse.

– o piesă internă – între arborele cotit și carter, avînd rolul de a absorbi presiunea reziduală creată de diferența dintre presiunea din carter și cea atmosferică. Această piesă este realizată fie dintr-un inel prevăzut pe unul din lagărele palier, fie dintr-un rulment cu bile, ace sau role numit de presiune.

Ungerea – are ca scop asigurarea gresajului părților aflate în mișcare relativă:

palierele principale, capurile bielelor, picioarele bielelor, cilindrii, și garnitura mecanică.

Circuitul de ungere prezintă în general următoarele elemente:

– un filtru de aspirație cu cădere de presiune redusă, imersat în baia de ulei;

– o pompă de ulei antrenată de arborele cotit: în prezent sunt utilizate două tipuri de pompe: cu angrenaj exterior, echilibrate dar cu un singur sens de rotație și cu angrenaj interior, reversibile, pentru compresoare ermetice și semiermetice, la care nu poate fi predefinit sensul de rotație;

– un răcitor de ulei pentru răcirea uleiului refulat de pompă într-un schimbător aflat fie în afara compresorului, fie în interiorul carterului, răcirea realizându-se fie cu apă, fie cu vapori de agenți frigorific aspirați;

– un filtru suplimentar la ieșirea din schimbător pentru eliminarea impurităților metalice sau de grafit (cărbune), care utilizează site foarte fine ( în general 20 μm) și pot fi prevăzute uneori cu un magnet introdus pe circuitul de ulei;

– un regulator de presiune (presostat diferențial de ulei) care menține presiunea din circuitul de ungere la o valoare cu 2-3 bar peste presiunea de aspirație, cu ajutorul unei supape reglabile din exteriorul compresorului, amplasată de constructori înainte de distribuția uleiului sau la sfârșitul circuitului. În ambele cazuri excesul de ulei este reintrodus în carter.

– un distribuitor: În general uleiul curat și răcit circulă prin canalul prevăzut în vibrochen de unde este distribuit spre diferitele puncte de ungere menționate anterior: paliere, cuzineți, garnitura mecanică, etc. Acesta poate servi și ca fluid hidraulic motor pentru comanda variatoarelor de putere frigorifică.

Uleiul se poate reîntoarce în carter prin următoarele puncte: neetanșeități interne ale palierelor și manetoanelor, neetanșeități permanente ale presgarniturii, raclajul pereților interni ai cilindrilor, camerele de aspirație, descărcarea supapei regulatorului, returul separatorului de ulei.

La utilizarea freonilor, este adesea necesară menținerea temperaturii uleiului în carter, pe durata perioadelor de oprire în intervalul 50-60°C, pentru a evita diluarea prea puternică a uleiului cu agent frigorific. Această încălzire se realizează cu ajutorul unei rezistențe electrice montate într-o teacă de protecție, în baia de ulei, a cărei temperatură este reglată de un termostat. În timpul funcționării compresorului, rezistența nu mai este alimentată.

Reglarea puterii frigorifice – Sistemul cel mai utilizat în compresoarele industriale constă în blocarea supapei de aspirație în poziție deschisă, pentru cilindrul sau cilindrii care practic vor fi suprimați din punct de vedere funcțional. În acest scop, discul inelar al supalei este ridicat prin diferite mijloace: tijă ridicătoare, piston inelar, etc. Fiecare din acestea se deplasează în interiorul cămășii cilindrului, cursa fiind foarte mică, astfel încât să corespundă cursei supapei. Un asemenea sistem este prezentat în figura 3.7.

Figura 3.7 Dispozitiv de reglare a puterii frigorifice

1 – corp supapă de aspiratie; 2 – arc supapă de aspiratie; 3 – garnitură toroidală; 4 – carter; 5 – corp supapă de refulare; 6 – placă amortizoare refulare; 7 – supapă de aspirație; 8 – cămașa cilindrului; 9 – piston de reglare a puterii; 10 – supapă de refulare; 11 – scaun supapă refulare; 12 – arc piston de reglare; 13 – piston; 14 – scaun supapă aspirație; 15 – ghidaj piston de reglare

În general, aceste sisteme echipate cu resorturi pentru revenire sunt acționate prin una

din următoarele modalități:

– presiunea uleiului admis printr-un ventil solenoidal cu trei căi;

– presiunea vaporilor comprimați admiși printr-un ventil solenoidal;

– un dispozitiv mecanic acționat tot de presiunea uleiului.

Există și un procedeu care utilizează un servomotor autonom, care menține constantă presiunea în carter (de aspirație) la o valoare prestabilită. Acest dispozitiv este utilizat în special pe grupuri de răcire a apei.

În general, sistemul de reglare a puterii frigorifice prin eliminarea cilindrilor, poate să fie utilizat pe compresoare având minim trei cilindri, astfel încât să rămână suficienți cilindri activi.

Mai pot fi menționate și alte două modalități de reducere a puterii frigorifice:

– deschiderea unui orificiu de scurtcircuitare între doi cilindri;

– deschiderea proporțională a supapelor de aspirație prin întârzierea închiderii, ceea ce conduce la reducerea debitului aspirat.

Pornirea cu sarcină redusă – dacă se aplică la toți cilindrii, permite utilizarea de motoare electrice cu cuplu și curent absorbit mai reduse. Cilindrii sunt reintroduși în sarcină normală atunci când presiunea în circuit se stabilizează, fie pe rând, fie doi câte doi.

Sistemul de antrenare – Compresoarele deschise sunt în general antrenate direct de motoare electrice cu 6 sau 8 poli, ceea ce face ca turația să fie apropiată de cea de sincronism, adică pentru rețele cu frecvența de 50 Hz: 1000 sau 1500 rot/min, respectiv pentru rețele cu frecvența de 60 Hz: 1200 sau 1800 rot/min.

Se utilizează un cuplaj elastic rigid cu disc flector din oțel sau elemente din cauciuc între două manșoane. Aceste compresoare sunt bine echilibrate dinamic și nu necesită volante inerțiale.

În cazul în care compresorul este antrenat de un motor cu ardere internă, trebuie studiată în mod serios problema cuplajului, ținând seama de neregularitățile ciclice ale rotației celor două mașini. Uneori s-ar putea să fie necesară utilizarea volanților.

Compresoarele ermetice, sau cele semiermetice, sunt cuplate direct pe arborele motorului electric încorporat în carter.

3.1.2 Compresoare ermetice și semiermetice

Aceste tipuri de mașini sunt specifice tehnicii frigului, deoarece freonii protejează înfășurările electrice, ceea ce permite introducerea motorului în fluxul de agent frigorific vehiculat de compresor.

Principlul avantaj al acestor mașini este că pe același arbore se găsesc motorul electric și ambielajul compresorului. În plus ansamblul se introduce într-o singură carcasă etanșă pentru agentul frigorific, dispar problemele de aliniere a motorului cu compresorul și problema traversării carterului de către vibrochen, ca și problema garniturii mecanice.

Compresoarele ermetice sunt complet incluse într-o carcasă metalică sudată și etanșă care face inaccesibile părțile mobile și nu permite intervențiile în interior. În figura 3.8 este prezentat un compresor ermetic secționat, iar în figura 3.9 este prezentat un compresor ermetic nefuncțional, montat într-o carcasă din sticlă, pentru a se observa cum se prezintă acest aparat în interior.

Figura 3.8 Secțiune printr-un compresor ermetic

1 – capsulă etanșă; 2 – rotor; 3 – stator; 4 – amortizor de zgomot; 5 – compresor

Figura 3.9 Compresor ermetic montat într-o capsulă din sticlă

În figura 3.10 sunt prezentate câteva dintre cele mai importante părți componente ale unui compresor ermetic:

Figura 3.10 Elemente componente ale compresoarelor ermetice

Compresoarele semiermetice permit demontarea atât a motorului cât și a compresorului, făcând posibile intervenții mecanice de întreținere și depanare. O secțiune printr-un compresor semiermetic este prezentată în figura 3.11.

,

Figura 3.11 Compresor semiermetic

1 – bobinajul statorului; 2 – rotor arbore cotit; 3 – bielă; 4 – piston; 5 – supapă de aspirație; 6 – supapă de refulare

Față de compresoarele deschise, cele ermetice și semiermetice se disting prin următoarele particularități:

Agenții frigorifici – nu pot fi decât fluide neutre din punct de vedere al sistemului electric: de exempu R134a, sau R22. Vaporii de agent frigorific, aspirați sunt utilizați pentru răcirea înfășurărilor electrice ale statorului și rotorului înainte de a ajunge în camera de aspirație. Pentru temperaturi de vaporizare coborâte (de exemplu -30°C), dacă debitul masic de vapori aspirați de compresor nu este suficient pentru răcirea motorului electric, trebuie prevăzute ventilatoare exterioare pentru răcirea carterului.

Puterea maximă – cu rare excepții nu poate să depășească 45 kW pentru compresoarele semiermetice, respectiv 30 kW pentru compresoarele ermetice.

Supapele – sunt în general cu lamele. Trebuie reținut însă că mașinile moderne utilizează din ce în ce mai mult supape asemănătoare cu cele ale compresoarelor industriale.

Un asemenea exemplu îl reprezintă sistemul DISCUS, reprezentat în figura 3.12.

Figura 3.12 Sistemul DISCUS

1 – supapă de refulare DISCUS; 2 – canal de refulare; 3 – canal de aspirație

Aspirația vaporilor se realizează traversându-se placa supapelor. Supapa de aspirație este inelară, iar cea de refulare, supapa DISCUS, este o piesă cilidro-conică realizată dintr-un

material plastic având următoarele proprietăți: este ușor, elastic, rezistent la acțiunea uleiurilor și a agenților frigorifici, la temperaturi ridicate (până la 480°C). În plus, zgomotele produse de supapele metalice sunt practic eliminate. Utilizarea supapei de aspirație inelară, necesită o prelucrare mecanică particulară a capului pistonului, în vederea reducerii la minim a spațiului mort, în limitele toleranțelor de fabricație. Prin utilizarea acestui sistem se obțin randamente superioare și uzuri mecanice mai reduse.

Carterul – este turnat dintr-o singură bucată și constituie atât corpul compresorului cât și al motorului, prezentând uneori și aripioare de răcire. Este închis pe partea compresorului de suportul lagărului palier și al pompei de ulei, iar pe partea motorului, de un capac pe care este prevăzut un robinet de aspirație, iar în interior un filtru pentru vaporii aspirați.

Cilindrii – sunt în general în număr de 2-3 în linie, 4 în V și 6 în W. Sunt prelucrați direct în corpul carterului. Capacele cilindrilor sunt tot din fontă ca și carterul, iar gura de vizitare este realizată pe partea compresorului. Se pot monta și două compresoare în tandem, caz în care mai există o piesă intermediară care leagă cele două motoare montate spate în spate.

Variația puterii frigorifice – este în general mai simplu de realizat decât la compresoarele industriale. Cele două sisteme mai des întâlnite sunt următoarele:

– obturarea intrării vaporilor în doi cilindri simultan;

– deschiderea unui orificiu de scurtcircuit între doi cilindri, ca în figura 3.13

Figura 3.13 Sistemul de reglaj a puterii frigorifice

pentru un compresor semiermetic, prin scurtcircuitarea dintre aspirație și refulare

Pornirea în sarcină redusă – se realizează prin utilizarea de obturatori sau a unui circuit exterior de by-pass cu un robint solenoidal de comandă.

Ungerea – în general se realizează sub presiune, cu o pompă de ulei care trebuie să fie obligatoriu reversibilă, sensul de rotație al compresorului putând să fie indiferent.

Elemente auxiliare ale compresoarelor

Separator de ulei – Este amplasat la refularea compresorului și are ca scop separarea

unei părți cât mai mari din uleiul antrenat de agentul frigorific din sistemul de ungere, pentru a-l întoarce în carterul compresorului. Separarea se bazează pe diferența de densitate dintre cele două fluide și pe modificarea energiei cinetice a acestora, care se poate produce în mai multe moduri: centrifugare, modificarea brucsă a direcției de curgere și creșterea bruscă a secțiunii de curgere.

Figura 3.14 Separator de ulei

În figura 3.14 este reprezentat un separator de ulei compus dintr-un corp cilindric (poate să fie orizontal sau vertical) în interiorul căruia există șicane, material de umplutură (de

exemplu inele metalice), sau plase metalice, tricotate sau din pânză. Uleiul separat se acumulează în partea inferioară, de unde prin intermediul unui robinet cu flotor se reîntoarce în carter.

Nu există separatoare de ulei capabile să separe complet uleiul antrenat de agentul frigorific din următoarele motive:

– chiar dacă sunt foarte eficiente la debitul maxim de agent frigorific, eficiența acestora se reduce la scăderea debitului;

– vaporii de ulei foarte calzi (100-130°C) sub formă de aerosoli nu pot să fie separați decât dacă li se reduce tempertura până în jurul valorii de 50°C și sunt readuși în starea de picături prin coalescență.

Utilizarea separatorului de ulei este indispensabilă la utilizarea amoniacului și poate să

fie evitată la utilizarea freonilor, situație în care nu există în instalație zone în care să fie posibilă decantarea (rezervor de lichid sau butelie de joasă presiune).

Aparate de măsură – Sunt indispensabile pentru verificarea condițiilor de funcționare ale compresoarelor și sunt reprezentate în principal de:

– manometre sau traductori electronici de presiune, care se montează pe conductele de aspirație și de refulare ca și pe circuitul de ulei;

– termometre sau traductori electronici de temperatură, care se montează în aceleași puncte ca și manometrele.

Dispozitive de siguranță – Sunt dispozitive necesare pentru protecția mașinii împotriva situațiilor anormale de funcționare, care ar putea produce pagube materiale sau accidente.

Există două categorii de asemenea dispozitive: cu utilizare obligatorie și cu utilizare facultativă.

– Dispozitive cu utilizare obligatorie:

– resort împotriva lovitura hidraulice;

– supapă de siguranță între aspirație și refulare, pentru evitarea distrugerii

compresorului dacă robinetul de refulare este închis accidental în timpul

funcționării compresorului;

– presostat de înaltă presiune, care protejează compresorul împotriva creșterii

presiunii de refulare și care acționează înainte de deschiderea supapei de

siguranță de înaltă presiune, montată în circuit;

– presostat de joasă presiune, care previne scăderea prea accentuată a presiunii

din vaporizator sau vaporizatoare;

– presostat diferențial de ulei, care are un traductor cuplat la presiunea din

carter, iar celălalt traductor cuplat la refularea pompei de ungere și are ca scop

supravegherea valorii diferenței dintre cele două presiuni, care trebuie să

asigure ungerea corectă a compresorului. Acest aparat este temporar scos din

funcție în perioadele de pornire, până când se atinge turația nominală, perioadă

în care presiunea diferențială de ungere este mai redusă decât valoarea minimă

acceptabilă.

– termostat de supraîncălzire (esențial la utilizarea amoniacului), care

protejează compresorul împotriva unei temperaturi de refulare excesiv de

ridicate (de exemplu 130°C).

– Dispozitive cu utilizare facultativă:

– termostat pentru supapa de siguranță, care se montează aproape de supapa de

siguranță internă și oprește compresorul dacă supapa de siguranță s-a deschis,

caz în care s-ar produce supraîncălziri periculoase;

– termostat de carter, care menține temperatura carterului în timpul opririi

compresorului, la valori care să nu permită dizolvarea în ulei a agenților

frigorifici;

– termostat de "ulei prea rece", care împiedică pornirea compresorului dacă

temperatura uleiului de ungere nu are o valoare convenabilă (50-60°C);

– Gestionarea electronică centralizată:

– anumiți constructori prevăd o achiziție electronică de date privind

funcționarea, cu încadrarea permanentă în domeniile de siguranță a

parametrilor și vizualizarea valorilor acestora pe monitor.

3.1.3 Compresoare elicoidale sau compresoare cu șurub

Introducerea acestora în tehnica frigului este relativ recentă, 1955 pentru compresoarele birotor, respectiv 1971 pentru compresoarele monorotor.

Interesul pentru utilizarea acestor mașini în tehnica frigului a crescut rapid, iar în 1985 erau instalate în lume în jur de 60000 de asemenea compresoare în diferite domenii de utilizare: congelare, răcire, grupuri pentru răcirea apei, pompe de căldură, etc. Pentru a le putea utiliza în toate domeniile tehnicii frigului, toți constructorii au realizat numeroase modificări și adaptări, în vederea înlocuirii compresoarelor cu piston.

La ora actuală s-au impus două tipuri de asemenea compresoare, așa cum se observă în tabelul 3.2, care prezintă câțiva furnizori de pe plan mondial și caracteristicile mașinilor produse de aceștia. Se observă că o răspândire mult mai largă o au compresoarele birotor.

Tabelul 3.2 Furnizori de compresoare elicoidale și caracteristicile acestora

Compresorul birotor (dublu șurub)

Comprimarea – Cele mai importante elemente constructive de care depinde procesul

de comprimare sunt geometria rotoarelor și volumul index.

– Rotoarele au cel mai adesea geometria realizată după licența Sveridge Rotor Maskiner (SRM), cu un rotor tată având 4 lobi și un rotor mamă având 6 canale, ca în figura 3.15, dar există și realizări cu 5 lobi și 6 respectiv 7 canale. Debitul acestor compresoare depinde de diametrul și lungimea rotoarelor, ca și de turația acestora.

Figura 3.15 Rotor tată cu 5 lobi și rotor mamă cu 7 canale

Începând din 1980, odată cu reducerea diametrelor rotoarelor pâna la cca. 100 mm și creșterea turației acestor rotoare mici până la 2950 rot/min, au fost create noi tipuri de profile pentru rotoare, denumite Sigma. S-a demonstrat că pentru un anumit profil dat, există o turație periferică optimă u≈50 m/s pentru rotoarele SRM, respectiv u≈15-20 m/s pentru rotoarele Sigma.

La ora actuală diametrele rotoarelor variază între 100 și 300 mm. Mărimile caracteristice pentru aceste compresoare sunt diametrul D al rotorului și raportul L/D dintre lungimea și diametrul rotoarelor.

În figura 3.16 este reprezentat un compresor birotor orizontal, iar în figura 3.17 este reprezentat un compresor birotor vertical.

Figura 3.16 Compresor birotor orizontal

Figura 3.17 Compresor birotor vertical: 1- rotor tată; 2 – rotor mamă; 3 – dispozitiv pentru reglarea puterii; 4 – dispozitiv pentru reglarea volumului index

Din punct de vedere constructiv orificiul de aspirație este fix, iar cel de refulare este realizat din două zone, una fixă prelucrată în carter, iar una variabilă, creată de o piesă având dimensiunea fixată la montaj, amplasată în sertarul de variație a puterii frigorifice.

Carterul pentru aceste mașini este realizat din fontă etanșă (Ft 25 și Ft 26), cilindrii fiind prelucrați direct în corp, acesta din urmă fiind calculat pentru o presiune de 25 bar, este supus probelor hidraulice.

Rotoarele sunt construite din oțel forjat sau din fontă cu grafit sferic, turnată sub vid, prelucrată mecanic cu mare precizie pe mașini unelte cu freze multiple. La marea majoritate a mașinilor de acest tip, rotorul tată antrenează rotorul mamă, dar noile profile permit și antrenarea rotorului tată de către rotorul mamă, ceea ce permite creșterea vitezei și în consecință a debitului vehiculat de compresor.

Lagărele: cele patru paliere sunt lise, cu bile sau cu rulmenți, eventual o combinație a celor două, datorită sarcinilor radiale mari. Aceste paliere sunt în general sensibil supradimensionate.

Garnitura mecanică (presgarnitura) este necesară pentru compresoarele de deschise și se folosește același tip de garnitură ca la compresoarele cu piston.

Compresorul monorotor (monoșurub)

Comprimarea – pentru aplicațiile din tehnica frigului, principalul constructor din Europa este societatea APV Baker Limited. Fabricația este bazată pe două serii, una cu un rotor satelit și cealaltă cu două rotoare satelit. Un compresor monorotor cu un satelit este prezentat în figura 3.18.

Figura 3.18 Compresor monorotor

1 – comanda sertarului de reglare a puterii frigorifice; 2 – garnitură mecanică; 3 – palier; 4 – rotor; 5 – sateliți

Rotorul este din fontă, datorită proprietăților mecanice și compatibilității cu agenții

frigorifici și joacă același rol ca și rotorul mamă de la compresoarele birotor. Este realizat cu 6

canale.

Rotoarele satelit sunt construite dintr-un material compozit, prezintă 11 aripioare și

sunt antrenate de rotorul principal. Au același rol ca și rotorul tată, separând practic mașina în

două zone de comprimare independente identice (pentru variantele cu doi sateliți).

Carterul este realizat dintr-o singură piesă, prin turnare, închide toate părțile mobile

având însă și capace demontabile pentru asigurarea accesului și montarea pieselor.

Lagărele pentru mașina cu doi sateliți sunt proporțional mult mai puțin solicitate față

de compresoarele birotor, deoarece efectele de comprimare sunt echilibrate ca urmare a

simetriei orizontale a mașinii. Forțele radiale sunt practic nule deoarece pe de-o parte canalele

se sprijină pe fața cilindrică externă a rotorului și pe de altă parte pe ambele fețe ale rotorului

este menținută presiunea de aspirație. Efortul rezidual pe partea arborelui care iese în afară

este preluat de un palier cu rulmenți.

Aspecte comune ale compresoarelor elicoidale

Sistemul de ungere – asigură următoarele funcții:

– ungerea palierelor portante, a garniturii mecanice și a pistonului de echilibrare;

– comanda hidraulică a sertarului de variație a puterii frigorifice și de pornire în gol;

– ungerea rotoarelor care angrenează unul cu celălalt;

– etanșeitatea între rotoare și între rotoare și stator, reducând și pierderile dintre partea de presiune ridicată și cea de presiun joasă;

– răcirea vaporilor comprimați, prin preluarea unei părți importante din căldură;

Datorită acestei ultime funcții, este posibil ca un asemenea compresor să aibă temperatura de refulare întotdeauna sub 100°C, deoarece se injectează un debit de ulei de 0,5-

1% din debitul total al acestuia, la o temperatură de 40…60°C.

Sertarul de variație a puterii frigorifice – este o piesă esențială pentru funcționarea compresoarelor industriale, care în permanență trebuie să coreleze puterea prigorifică solicitată cu cea furnizată, respectiv să asigure variația debitului vehiculat.

– La mașinile birotor, sertarul este dispus la intersecția celor două rotoare, culisează axial și eliberează o parte mai mare sau mai mică din rotoare, realizând și o întoarcere spre aspirație a unei părți din vapori. Lungimea rotorului mascată de sertar, realizeză în continuare comprimarea. Comprimarea se realizează ca și când raportul L/D ar fi variabil.

– La mașinile monorotor, există două sertare situate de o parte și de alta a planului orizontal, care separă compresorul în două jumătăți simetrice.

Tendințe actuale

Principalele avantaje ale compresoarelor elicoidale, față de cele cu piston sunt următoarele:

– dimensiuni mai reduse;

– greutate mai mică;

– siguranță mai mare în funcționare;

– întreținere mai redusă;

– nivel de vibrație redus;

– antrenarea realizată de motoare cu doi poli.

Dezavantajele sunt următoarele:

– prețul mai ridicat (serii de fabricație mai reduse, deci mai scumpe);

– importanța și complexitatea mărită a circuitului de ungere;

– nivelul de zgomot mai ridicat.

Pentru a nu mări numărul de rotoare (datorită costurilor de fabricație), anumiți constructori asigură antrenarea atât de către rotorul tată, cât și de către rotorul mamă, ceea ce permite realizarea cu aceeași pereche de rotoare, de debite în raportul 5 la 1. Alți constructori

prevăd antrenarea rotorului tată prin intermediul unui multiplicator de turație.

Progresele realizate în domeniul informaticii, atât în ceea ce privește modelarea cât și

fabricarea rotoarelor și simplificarea sistemului de ungere, au permis realizarea de mașini mai

ieftine, mai simple (prin suprimarea sertarului) și mai silențioase, atât deschise cât și semiermetice, ca în figura 3.19, sau chiar ermetice.

Figura 3.19 Compresor elicoidal semiermetic:1 – motor electric; 2 – sertar pentru reglarea puterii frigorifice; 3 – comanda sertarului; 4 – separator de ulei; 5 – rotor

3.1.4Compresoare volumice rotative

În această categorie sunt incluse:

– compresoare cu palete;

– compresoare cu piston rotativ;

– compresoare cu spirale (Scroll).

Toate aceste mașini sunt caracterizate de simplitatea aparentă a construcției, datorată numărului redus de piese în mișcare, dar care necesită tehnologii de fabriacație scumpe.

Compresorul cu palete în rotor

Este un compresor volumic, utilizat în tehnica frigului încă din anii 1930, dar care datorită problemelor legate de materialele componente nu a suferit dezvoltări ulterioare.

Partea principală a mașinii este reprezentată de un stator cilindric în interiorul căruia se învârte un rotor excentric, tangent la cilindru, așa cum se observă în figura 3.20.

Figura 3.20 Schema compresorului cu palete în rotor

1 – cilindru; 2 – piston rotativ; 3 – lamele culisante; 4 – spațiu de refulare;

5 – spațiu de aspirație; 6 – arbore; 7 – inele pentru limitarea cursei

Rotorul are prevăzute canale radiale în care paletele pot să culiseze liber sub efectul forței centrifugale, pe care o imprimă rotorul.

Noile materiale descoperite în industria aeronautică și posibilitatea de a se prelucra în serie profile complexe, pot să asigure din nou succesul acestor tipuri de mașini. Firma Rotocold din Marea Britanie, realizează asemenea compresoare, special pentru tehnica frigului și a adus câteva îmbunătățiri dintre care se menționează:

– Realizarea paletelor din materiale compozite (polimeri aromatici și fibră de sticlă), ușoare și rezistente, ceea ce permite atingerea de turații ridicate (viteza periferică de cca. 25 m/s);

– Acoperirea paletelor cu un material autolubrifiant (teflon), asigură funcționarea corectă și în cazul unei defecțiuni pe circuitul de ulei;

– S-a realizat un dispozitiv de protecție împotriva loviturilor hidraulice, prin echiparea compresorului cu o placă mobilă situată la extremitatea rotorului, menținută în poziție normală de resorturi. O eventuală suprapresiune datorată prezenței lichidului, deplasează placa mobilă și astfel mașina este protejată împotriva oricăror defecțiuni mecanice;

– Uleiul de ungere este preluat dintr-un separator de ulei (la presiune ridicată) și injectat într-un dublu circuit intern. Primul alimentează garnitura mecanică asigurând ungerea și răcirea acesteia, ungerea rulmentului din față și ungerea unei fețe a rotorului. Al doilea circuit asigură ungerea rulmentului din spate și ungerea celei de-a doua fețe a rotorului. Acest mod de funcționare elimină necesitatea utilizării unei pompe de ulei, ceea ce simplifică mult construcția;

– Reglarea puterii frigorifice, în lipsa unui dispozitiv specializat, se realizează fie prin utilizarea unui motor de antrenare cu două turații, fie prin utilizarea unui dispozitiv de modificarea a frecvenței de alimentare.

Firma Rotocold are ca și caracteristici principalte pentru seria de compresoare cu 8

palete, următoarele caracteristici:

– materiale componente: polimeri și fibre de carbon;

– turația nominală: 1450…4000 rot/min;

– turația maximă admisă: 6000 rot/min;

– debit: 12,8…80,4 m3/h;

– agenți frigorifici: R22 și R502.

Compresor cu piston rotativ

Acest compresor este prezentat din considerente istorice, nefiind foarte răspândit în prezent. Poate fi considerat ca o variantă a compresorului cu lamele în rotor, având însă o singură lamelă, montată în stator, ca în figura 3.21.

Figura 3.21 Compresor cu piston rotativ

Este utilizat încă din 1980 de câteva firme constructoare din Japonia, în special de firma Daikin, care folosește asemenea compresoare ermetice în aparate de climatizare, în frigidere casnice și în grupuri compresor-condensator cu o putere de aproximativ 3 kW.

Compresorul cu spirale (Scroll)

Această mașină a fost inventată și brevetată în S.U.A. în 1905 și dezvoltată ulterior tot

în S.U.A. în anii 1970. Pentru prima dată au fost utilizate în frigidere casnice (de putere frigorifică redusă) de firma DWM-Copeland, iar apoi în climatizare de firma Trane care le-a folosit și în grupuri de răcire a apei cu puterea frigorifică de 35 kW. Totuși nu există nici un impediment pentru realizarea unor asemenea compresoare de puteri frigorifice mai mari.

Comprimarea – Acest compresor este prezentat în figura 3.22 și piesele principale sunt practic din două spirale una în alta.

Figura 3.22 Compresor Scroll

Spirala superioară unde se găsește orificiul de refulare este fixă, în timp ce spirala inferioară este antrenată într-o mișcare orbitală. Aspirația se realizează prin zona periferică, iar refularea prin orificiul situat în centrul spiralei fixe.

Spirala fixă este prezentată în figura 3.23, iar spirala mobilă este prezentată în figura

3.24.

Figura 3.23 Spirală fixă (stator)

Figura 3.24 Spirală mobilă (rotor)

Modul de funcționare al acestor tipuri de compresoare este ilustrat în figura 3.25.

Figura 3.25 Principiul de funcționare al compresorului Scroll

– aspirația – în timpul deplasării spiralei inferioare se formează două zone prin care sunt aspirați vaporii de agent frigorific până în momentul în care cele două zone se închid;

– comprimarea – mișcarea spiralei antrenează vaporii spre zona centrală, iar volumul ocupat de vapori se reduce treptat ceea ce produce comprimarea acestora;

– refularea – vaporii comprimați sunt evacuați prin orificiul din zona centrală.

Se observă că în timpul funcționării, cele trei faze (aspirația, comprimarea și refularea) se desfășoară simultan, simetric și continuu, ceea ce reprezintă o caracteristică importantă a acestui tip de compresor, care va fi supus unei variații a cuplului mai redusă decât în cazul compresorului cu piston.

Compresorul nu necsită supape, fiind suficientă o simplă clapetă unisens, care să

împiedice reântoarcerea vaporilor refulați. Raportul de comprimare este fix, iar coeficientul de debit este foarte bun, pentru că nu există spațiu mort.

Particularități mecanice – Compresorul nu prezintă decât trei piese în mișcare, dar pune probleme deosebite din următoarele puncte de vedere: etanșeitate axială, etanșeitate radială și evitarea rotației inverse a spiralei mobile.

– Etanșeitatea axială – este esențială ținând seama de suprafața spiralei mobile și de forțele de presiune axiale datorate comprimării, care tind să depărteze spirala mobilă de cea fixă. Principalii constructori utilizează diverse metode pentru rezolvarea acestei probleme:

– Aplicarea unei presiuni de vapori pe spatele spiralei fixe, pentru a o împinge spre cea mobilă. în acest scop în zona de început a comprimării se practică un mic orificiu în spirala fixă, care prezintă totuși o ușoară capacitate de deplasare axială. Presiunea practicată trebuie să fie suficient de mare ca să poată asigura etanșarea, dar nu prea mare pentru a nu provoca piederi datorate frecărilor excesive dintre cele două spirale.

La oprirea compresorului, cele două spirale nu sunt în contact, ceea ce reduce cuplul

de pornire.

– Aplicarea unei forțe elastice asupra spiralei mobile, prin intermediul unui resort;

– Etanșeitatea radială – adică etanșeitatea care trebuie să existe la contactul dintre cele

două spirale. Pentru această problemă există de asemenea două soluții tehnice:

– Prin antrenarea excentrică liberă a spiralei mobile, de către arborele motor, situație în care forța centrifugă asigură contactul permanent dintre spiarale în aș afel încât spirala mobilă să rămână concentrică cu cea fixă;

– Prin antrenarea spiralei mobile, utilizând ca piesă intermediară o maselotă cu excentric de tipul celei prezentate în figura 3.26. Antrenarea spiralei se realizează excentric față de axul acesteia, care pivotează în orificiul prevăzut în acest scop în corpul maselotei. Deplasarea maselotei este limitată cu ajutorul unui știft.

Fig. 3.26 Mecanism de antrenare prin maselotă cu excentric

3.1.5 Compresoare centrifugale

Compresoarele centrifugale au început să fie utilizate în tehnica frigului la începutul

secolului. Cele mai importante repere cronologice sunt:

1910: În Germania se studiază posibilitatea utilizării acestor compresoare cu agenții frigorifici cunoscuți la momentul respectiv (SO2, CO2, NH3). Simultan compania Carier în S.U.A. experimenta cu aceste mașini, diverse hidrocarburi și clorura de metilen.

1926: În Elveția, compania Brown Boveri realizează un compresor centrifugal funcționând cu amoniac, având o putere frigorifică de 7000 kW, la realizarea unei temperaturi de –15°C. Ulterior aceeași companie a utilizat clorura de etilen și bromura de etilen pentru climatizare.

1930: Compania americană Kinetic Chemicals produce freoni având masa moleculară mare, care se preteazăte bine la utilizarea în aceste compresoare.

1933: Compania Carrier utilizează R11 pentru climatizare și R12, propan, respectiv SO2, pentru realizarea de temperaturi mai scăzute.

După al doilea război mondial, dezvoltarea intensă a domeniului condiționării aerului, dar și a aplicațiilor care necesită temperaturi mai scăzute, au favorizat atât în Europa cât și în S.U.A. promovarea compresoarelor centrifugale.

Compresoarele centrifugale sunt utilizate într-o mare varietate de instalații frigorifice și pentru condiționarea aerului.

Debitele volumice uzuale se încadrează între 200 m3/h în aeronautică și 55000 m3/h în condiționarea aerului, iar turațiile între 3000 și 100000 rot/min. Debitele mici se realizează cu diametre mici și turații mari, iar debitele mari cu diametre mari și turații mici.

Compresoarele frigorifice centrifugale de puteri frigorifice mici realizează 15-95 kW, funcționând cu R134a, sau R114, au dimensiuni foarte reduse, sunt antrenate de turbine acționate de aer, la turații de peste 100000 rot/min și sunt destinate climatizării cabinelor avioanelor de transport.

Puterile frigorifice maxime ale compresoarelor centrifugale sunt limitate de dimensiunile acestora. De exemplu un asemenea compresor de 55000 m3/h pentru climatizarea unui aeroport, are un diametru exterior de aproape 2m.

Temperaturile de vaporizare pe care le pot realiza se situează între +10°C (climatizare) și -160°C (lichefierea metanului). Presiunile de refulare pot ajunge la 21 bar, iar raportul de comprimare variază între 2 și 30 (cu mai multe trepte de comprimare). Practic pot să fie comprimații toți agenții frigorifici.

În compresoarele frigorifice se pot monta maxim 10 trepte (etaje) de comprimare și sunt posibile aspirații multiple între trepte, la diferite nivele de temperatură, astfel încât un compresor să poată realiza mai multe nivele de temperatură scăzută. Se pot monta în serie mai multe compresoare, care să fie antrenate simultan, iar dacă este necesar aceste compresoare cu antrenare unică pot să funcționeze cu mai mulți agenți frigorifici.

În condiționarea aerului, datorită valorii reduse a raportului de comprimare (3…4), este posibilă comprimarea în una sau două trepte, deci pentru acest domeniu se utilizează mașini simple.

Figura 3.27 Compunerea vitezelor în rotorul unui compresor centrifugal

1 – viteza radială; 2 – viteza tangențială; 3 – viteza rezultantă; 4 – turația;

5 – diametrul rotorului; 6 – debitul

Capitolul IV

Funcțiile sistemului de automatizare a unei instalații frigorifice cu maimulte spații răcite

Se consideră o instalație frigorifică funcționând prin comprimare mecanică

de vapori  într-o singură treaptă de comprimare, cu N camere răcite și un singurcompresor, reprezentată  în figura 5.1.

În camera N, temperatura este mult mai mare decât  î n celelalte camere, caracterizate prin temperaturi de valori apropiate.

Practic instalația asigură două nivele de temperatură scăzută, într-o singură treaptă de comprimare.

Cu ajutorul acestei instalații se vor analiza funcțiile sistemului deautomatizare într-o asemenea instalație frigorifică, cu precizarea că dispozitivele de automatizare prezente și analizate în această instalație, sunt reprezentative și se regăsesc în numeroase alte tipuri de instalații frigorifice.

Figura 5.1Schemă de automatizare a unei instalații frigorifice  într-o treaptă de comprimare având mai multe spații răcite la două nivele diferite de temperatură

Obiectivul fundamental al sistemului de automatizare îl constituie realizareatemperaturilor prescrise t1, t2, … tN-1, tN, în cele N camere, în condițiile în care N este mult mai mare decât celelalte temperaturi, care sunt foarte apropiate  între ele (practic egale). Acest tip de instalație este specific depozitelor frigorifice de capacitate redusă, pentru păstrarea produselor alimentare, și instalațiilor frigorifice navale. Puterea frigorifică a instalațiilor de acest tip este medie (10-50 kW), iar nivelul temperaturilor scăzute realizate uzual, este de aproximativ (-15 … -5)°C pentru temperaturile t1, t2, … tN-1, respectiv (0…+5)°C pentru temperatura tN.

În primele N-1 spații răcite se poate realiza păstrarea produselor congelate, iar în camera N refrigerarea și/sau păstrarea produselor refrigerate. Pentru congelarea produselor alimentare ar fi necesare temperaturi ceva mai scăzute în spațiile răcite (-25 … -20)°C, pentru realizarea cărora s-ar impuneutilizarea unei instalații în două trepte de comprimare. Pentru realizarea obiectivului fundamental al sistemului de automatizare, în camerele frigorifice se prevăd sisteme de reglare automată a temperaturii.

În primele N-1 camere, sunt prevăzute sisteme de tip bipozițional, acționând ventilele electromagnetice montate pe conducta de alimentare a vaporizatoarelor. Pe figură, aceste regulatoare automate ale temperaturilor din spațiile răcite sunt notate cu TC (și sunt denumite termostate). Aceste sisteme de automatizare închid electroventilele, dacă temperatura din spațiile răcite scade sub valoarea prescrisă. Fiind întreruptă alimentarea cu lichid a vaporizatoarelor, acestea sunt practicscoase din funcțiune atâta timp cât temperatura din camerele respective estesuficient de scăzută. Dacă temperatura din camere crește, TC comandă  deschiderea ventilelor electromagnetice, care vor permite realimentarea cu lichid a vaporizatoarelor, în vederea scăderii temperaturii din camere până la atingerea valorilor prescrise, când TC vor închide din nou electroventilele.

Întrebare: Ce se va întâmpla în instalație, dacă la un moment dat toate TC au acționat astfel încât sunt închise toate electroventilele de pe conductele de aspirație ale vaporizatoarelor? Rezolvarea aceastei probleme impune utilizarea unui alt sistem de reglare automată, care va fi studiat ulterior, dar evoluția parametrilor termofizici (temperatură și presiuni) din instalație poate fi intuită…

Răspunsul la această î ntrebare nu este inclus în acest studiu de caz. Dacă și în camera N, unde temperatura trebuie menținută la o valoare multmai ridicată, vaporizatorul ar funcționa la aceeași temperatură de vaporizare, ca și în restul camerelor, s-ar stabili o diferență prea mare între temperatura din cameră și temperatura de vaporizare. Efectul ar fi că pe lângă ireversibilitățile mari denatură externă (datorate diferenței mari de temperatură), care duc la creșterea consumului energetic al instalației, s-ar produce și o uscare foarte intensă a aerului din această cameră, prin depunere excesivă de zăpadăpe serpentinele vaporizatorului.

În consecință se impune ca temperatura de vaporizare să fie mai ridicată în camera N. Evident, în aceste condiții și valoarea presiunii de vaporizare va fi mai ridicată .În instalație vor exista deci două presiuni de vaporizare, dar pentru că există un singur compresor, poate să existe o singură presiune de aspirație, ceea ceimpune prezența în instalație a unui dispozitiv de laminare 3, pe conducta deaspirație, între vaporizatorul din camera N și compresor. Menținerea constantă a presiunii de vaporizare din camera N, la o valoare superioară presiunii de aspirație (determinată de presiunea de vaporizare dincelelalte camere), este realizată printr-un sistem automat de reglare a presiunii devaporizare:

−Priza de presiune 1 (care furnizează mărimea de reacție)

Regulatorul de presiune 2 notat și cu PC (regulator de presiune de vaporizare);

Dispozitivul de laminare 3, reprezentând elementul de execuție alregulatorului 2;

Detectorul de temperatură cu bulb 4;

Regulatorul de temperatură

5.Regulatorul de presiune 2, trebuie să mențină constantă presiunea devaporizare în camera N, din amonte de 3, în condițiile în care și temperatura din cameră, determinată cu ajutorul bulbului 4, trebuie să rămână constantă

Practic acest sistem de automatizare este compus din două regulatoare care interacționează între ele. Regulatorul de temperatură 5, are ca element de execuție regulatorul de presiune 2, care la rândul lui acționează asupra ventilului delaminare 3. Mărimea de execuție a regulatorului de temperatură 5, este o mărimede intrare pentru regulatorul de presiune 2, a cărui mărime de execuție este transmisă ventilului 3. Deoarece compresorul aspiră vapori direct din vaporizatoarele instalației,este important ca în acesta să nu pătrundă picături de lichid, deci alimentareavaporizatoarelor trebuie realizată astfel încât să fie asigurată o ușoar supraîncălzirea vaporilor la ieșirea din vaporizatoare. Supra încălzirea reprezintă diferența dintre temperatura vaporilor la ieșirea din vaporizatoare (vapori care sunt aspirați decompresor) și temperatura de vaporizare.Sistemul de alimentare a vaporizatoarelor va fi un sistem de reglare automată a unei diferențe de temperatură, reprezentând gradul de supraîncălzire, notat cuDTC. Prin menținerea unei ușoare supraîncălziri în vaporizator, acesta este alimentat cu debitul maxim posibil de lichid, astfel încât compresorul să funcționeze totuși în condiții de siguranță. Acest sistem de alimentare avaporizatorului asigură în consecință, puterea frigorifică maximă a vaporizatorului în condițiile de siguranță a funcționării compresorului, menționate anterior,deci corespunde din toate punctele de vedere.

Regulatoare de diferență de temperatură, de acest tip, au ca mărime de execuție, cursa ventilelor de laminare(denumite detentoare termostatice sau ventile de laminare termostatice), montatepe conducta de intrare alichidului în vaporizatoare.Debitul de lichid care alimentează vaporizatoarele depinde de diferența depresiune la care lucrează dispozitivul de laminare, adică de diferența dintrepresiunea de condensare și presiunea de vaporizare. Prin menținerea constantă a temperaturii din camerele răcite, este menținută constantă și temperatura de vaporizare, deci și presiunea de vaporizare corespunzătoare. Pentru menținerea constantă a condițiilor de lucru a dispozitivelor de laminare, se impune utilizareaunui sistem de reglare automată a presiunii de condensare. Regulatorul de presiune de condensare al acestui sistem, este montat pecondensator și acționează asupra ventilului montat pe conducta de alimentare cuapă a condensatorului, reglând corespunzător debitul de apă. Dacă în timpul funcționării instalației presiunea de condensare crește, atunci regulatorul depresiune de condensare va mări debitul de apă prin deschiderea mai pronunțată aventilului, iar dacă presiunea de condensare scade, regulatorul va reduce debitulde apă prin închiderea parțială a ventilului. Este greșit să se considere că reducerea presiunii de condensare are preponderent efecte favorabile, datorită reducerii raportului de comprimare al compresorului. La reducerea necesarului de frig al camerelor frigorifice, sistemul dealimentare a vaporizatoarelor și de reglare a temperaturii, va reacționa prinreducerea debitului de agent frigorific cu care sunt alimentate vaporizatoarele, adaptându-se natural la această modificare,ceea ce confirmă că sistemul de automatizare utilizat este corect. Afirmația anterioară poate fi justificată prin explicarea în continuare a fenomenelor care se produc în vaporizator și sistemul deautomatizare a alimentării cu lichid, care menține constantă diferența de temperatură reprezentând gradul de supraîncălzire.

Concluzii

Perspectivele de viitor pe plan mondial în construcțiile navale sunt legate de posibilitatea înlocuirii motoarelor diesel prin turbine cu gaze și de utilizare a reactoarelor nucleare pentru propulsia navelor, (spargătorul de gheață sovietic Lenin, fiind prima nava cu propulsie nucleară). Secolul nostru se caracterizează în domeniul construcțiilor navale printr-o tendință spre gigantism,( cum este de altfel și pasagerul Mary Queen II, o adevărată insula cu elice).

Efectele frigului asupra omului și asupra produselor alimentare a fost constatat din cele mai vechi timpuri. Încă din antichitate, în zonele cu climă caldă, s-au utilizat zăpada și gheața din munți pentru "condiționarea aerului" și pentru păstrarea alimentelor. Aplicațiile frigului, ca metodă de conservare, datează din timpuri imemoriale.

Eficiența frigului din acest punct de vedere a fost demonstrată prin descoperirea în zonele frigului veșnic, a unor corpuri de animale (mamuți) perfect conservate pe durata a mii de ani. În secolul XVIII se cunoșteau deja circa 10-15 amestecuri pentru scăderea temperaturii.

Ca exemplu clorura de calciu (CaCl2) în amestecată cu zăpadă permite scăderea temperaturii până la –32,8°C. Producerea frigului artificial a început relativ recent și câteva dintre cele mai importante repere cronologice pot fi considerate următoarele:

– 1748 William Cullen de la Universitatea din Glasgow, Scoția, realizează prima demonstrație de producere a frigului artificial, prin evaporarea unui agent termodinamic în vid parțial (sub depresiune);

– 1805 Oliver Evans din Philadelphia, statul Pensylvania, S.U.A., realizează un sistem de răcire în circuit închis, prin comprimare de vapori;

– 1844 John Gorrie din Florida, S.U.A., descrie într-o lucrare mașina produsă de el pentru producerea de gheață și aer rece necesare spitalului său. Această mașină poate să fie considerată prima din lume destinată răcirii și producerii aerului condiționat;

– 1859 Ferdinand Carré din Franța, realizează prima mașină din Europa, destinată producerii de gheață, funcționând însă pe un alt principiu, cel al absorbției;

– În a doua jumătate a secolului XIX, producția frigului artificial este caracterizată de un avânt deosebit. Astfel, în această perioadă se instalează primele instalații frigorifice pe nave, aceste echipamente fiind destinate transportului de carne din Australia și Argentina, spre Europa. Probabil, marinarii acestor nave au fost primii oameni care au consumat carne congelată;

– 1929 Clarence Birdeye din S.U.A., realizează pentru prima dată congelarea de produse perisabile;

– După al doilea război mondial se extinde mult industria conservării prin frig, apar numeroase utilaje și procedee noi.

Instalațiile frigorifice și pompele de căldură, sunt mașini termice care au rolul de a prelua căldura de la un mediu având temperatura mai scăzută și de a o ceda unui mediu având temperatura mai ridicată.

Proprietățile agenților frigorifici sunt impuse de schema și tipul instalației, precum și de nivelurile de temperatură ale celor două surse de căldură.

Câteva dintre aceste proprietăți sunt următoarele:

– presiunea de vaporizare trebuie să fie apropiată de presiunea atmosferică și ușor superioară acesteia, pentru a nu apare vidul în instalație;

– presiunea de condensare trebuie să fie cât mai redusă, pentru a nu apare pierderi de agent frigorific și pentru a se realiza consumuri energetice mici în procesele de comprimare impuse de funcționarea acestor instalații;

– căldura preluată de un kilogram de agent, prin vaporizare, trebuie să fie cât mai mare, pentru a se asigura debite masice reduse;

– căldura specifică în stare lichidă trebuie să fie cât mai mică, pentru a nu apare pierderi mari prin ireversibilități interne, în procesele de laminare adiabatică;

– volumul specific al vaporilor trebuie să fie cât mai redus, pentru a se obține dimensiuni de gabarit reduse, ale compresoarelor;

– să nu prezinte pericol de inflamabilitate, explozie și toxicitate;

– să nu fie poluanți (este cunoscut faptul că unii agenți frigorifici clasici și anume câteva tipuri de freoni, contribuie la distrugerea stratului de ozon al stratosferei terestre).

Bibliografie

Prof. dr. ing. Mugur BĂLAN S.l. ing. Angela PLEȘA – INSTALAȚII FRIOGORIFICE Construcție, funcționare și calcul

BUZBUCHI, N. ș.a. – Motoare navale. Procese și caracteristici, Ed. Did. și Ped., București, 1996

BUZBUCHI, N. ș.a. – Motoare navale. Supraalimentare*Dinamică, Ed. Did. și Ped., București, 1998

ALEXANDRU, C. – Mașini și instalații navale de propulsie, Ed. Tehnică, București, 1991

DRAGALINA, AL. – Influența complexă a combustibilului și a desfășurării arderii asupra compoziției gazelor de evacuare ale motoarelor cu aprindere prin compresie, Lucrare prezentată în cadrul „Conferinței cu participare internațională VEHICULUL ȘI MEDIUL”, Brașov, 1996

GRŰNWALD, B.- Teoria, calculul și construcția motoarelor pentru autovehicule rutiere, Ed. Did. și Ped., București, 1980

MAIER, V. – Mecanica și construcția navei, vol. II, Ed. Tehnică, București, 1987

*** Prospecte ale firmelor M. A. N. B. & W.

www.sribd.com