Agenti Frigorifici

Diverse

Agenti Frigorifici

Byadmin ianuarie 1, 2024

CUPRINS

Memoriu justificativ

Tema proiectului.

CAPITOLUL 1. Introducerea în tehnica frigului artificial.

1.1. Introducere

1.2. Scurt istoric

CAPITOLUL 2. Instalații frigorifice care echipează frigiderele

casnice clasice

2.1. Principiul de funcționare al instalațiilor frigorifice

2.2. Agenți frigorifici

2.2.1 Proprietăţi ale agenţilor frigorifici

2.2.2 Simbolizarea agenților frigorifici

2.2.3 Agenții frigorifici utilizați pentru aparatele casnice

2.2.4 Tabele termodinamice ale agenților frigorifici

2.3. IFV cu compresor

2.3.1 Componente

2.3.2 IFV într-o treaptă

2.4. IFA de amoniac in apa și gaze de compensare

2.5. Instalații frigorifice termoelectrice

CAPITOLUL 3. Calculul termic al unei instalații frigorifice cu comprimare

mecanică de vapori cu diverși agenți frigorifici.

CAPITOLUL 4. Producători actuali de frigidere

CAPITOLUL 5. Analiza comparativă economică a frigiderelor cu

compresor de cele cu absorbție

Memoriu Justificativ

Prin modernizarea anumitor tehnologii de producere a frigului obținut pe cale artificială se urmăresc atât perfecționarea sistemelor frigorifice cât și îmbogățirea performanțelor aparatelor și mașinilor folosite.

În ultimii ani tehnologiile folosite în fabricarea instalațiilor frigorifice de conservare și refrigerare pentru produsele alimentare s-au dezvoltat foarte mult.

Scopul utilizării acestor instalații este de a se asigura satisfacerea necesitățiilor populației în vederea asigurării unei alimentații cât mai sănătoase, raționale și diversificate, asigurându-se astfel o creștere a gradului de civilizație și de bunăstare.

În lucrarea de fața este prezentat un studiul tehnico economic al instalațiilor care echipează frigiderele casnice. Lucrarea cuprinde 5 capitole:

Primul capitol prezintă o scurtă introducere în tehnica frigului artificial, în care

sunt specificate procedeele de obținere a temperaturilor scăzute precum și un scurt istoric al evoluției sistemelor frigorifice.

Capitolul doi cuprinde explicarea principiului de funcționare al instalațiilor frigorifice precum și caracterizarea și definirea agențiilor frigorifici folosiți. Tot în cuprinsul acestui capitol s-a realizat o clasificare a instalațiilor frigorifice care echipează frigiderele casnice astfel, în funcție de tehnologia folosită acestea se împart în: instalații frigorifice de comprimare mecanică cu vapori, instalații frigorifice cu absorbție de amoniac în apă și gaze de compensare, și instalații frigorifice termoelectrice.

Pentru instalația frigorifică de comprimare mecanică cu vapori sunt specificate componentele instalației, schema principiului de funcționare, agenții frigorifici folosiți , circuitul agentului frigorific în instalație, ciclul teoretic de funcționare al instalațiilor frigorifice reale, subrăcirea, și ciclul real de funcționare al instalațiilor.

În prezentarea instalațiilor frigorifice cu absorbție de amoniac în apa și gaze de compensare, s-a tinut cont de schema instalației frigorifice,de componentele acesteia, de aparatura de măsură și control, și de ciclul de funcționare.

Pentru ultimele instalații analizate, cele termoelectrice, s-a studiat efectul Peltier și obținerea acestuia cu ajutorul semiconductorilor.

În următorul capitol, capitolul 3, se realizează calculul termic al unei instalații frigorifice cu comprimare mecanică cu vapori pentru mai multi agenți frigorifici.

Pentru a se realiza o analiză economico-comparativă pentru diferiți agenți frigorifici se rulează calculul termic al IFV pentru anumiti parametrii în programul de calcul EES Professional, în acest mod urmărindu-se stabilirea performanțelor pentru agenții frigorifici doriți.

Capitolul 4 prezintă o descriere a producătorilor actuali de frigidere de pe piață, precum si a evolutiei acestora pe piata de echipamente frigorifice.

Ultimul capitol, capitolul 5, cuprinde o analiză economica comparativă între instalațiile frigorifice cu vapori și instalatiile frigorifice cu absorbție. Astfel pentru efectuarea acestei analize s-a comparat un frigider casnic cu comprimare mecanică cu vapori cu un frigider casnic cu absorbție de amoniac apă. S-a considerat ca ambele instalții aveau aceeași putere frigorifică, și aceeași clasă de eficiență energetică. La sfarsitul analizei s-a stabilit eficiența ca urmare a comparației costurilor anuale ale celor 2 instalatii.

Această lucrare are scopul de a prezenta mai multe criterii de care este necesar a se ține cont în vederea achizitionarii unui frigider casnic care să poata fii folosit un timp cât mai îndelungat și cu niște costuri de operare cât mai mici.

Studiul este realizat cu scopul de a oferi beneficiarilor frigului artificial informatii despre domeniul frigotehnist

CAPITOLUL 1

INTRODUCERE ÎN TEHNICA FRIGULUI ARTIFICIAL

Introducere

Obținerea frigului artificial

Orice corp cu o temperatura mai ridicată decât cea a mediului înconjurător (apă, aer) se răcește pe cale naturală. În toate cazurile căldura se transmite de la corpurile mai calde la cele mai reci, pâna la egalizarea temperaturii acestora.

Domenii de utilizare a frigului:

Industria chimică: separarea unor săruri din soluții lichide; lichefierea unor gaze

Industria alimentară: reteaua alimentară; depozite de produse alimentare; diferite procese tehnologice

Industria extractivă: înghețarea solului – executarea unor galerii

Industria constructoare de mașini: tratamente termice; asamblări prin fretaj

Laboratoare de cercetări: studiul comportării unor materiale sau utilaje în condiții de temperatură scazută

Răcirea corpurilor sub temperatura mediului înconjurător se realizeză doar pe cale artificială, prin consum de energie.

Instalațiile frigorifice – sunt folosite în menținerea și scăderea temperaturii unui corp sau a unui sistem de corpuri, astfel incât să se ajungă sub temperatura mediului ambiant.

Instalatii bazate pe procedee termodinamice de racire:

Procedee termodinamice deschise: instalații de răcire care funcționează prin evaporarea apei (turnuri de răcire; amestecuri frigorigene)

Procedee termodinamice închise: instalații cu comprimare mecanică a unui gaz, instalatii bazate pe vaporizarea unui lichid .

Prin sistem termodinamic se înțelege un corp, o parte a unui corp sau un grup de corpuri, delimitat de restul corpurilor care îl înconjoară printr-o suprafață de control prin care sistemul poate să efectueze un schimb de energie (sub formă de căldura Q, sau de lucru mecanic L) și de substanță. Celelalte corpuri, ce sunt în afara suprafeței de control, se consideră a fi mediul exterior sau mediul ambiant. [4]

Procedee de obținere a temperaturilor scăzute:

1. Procese cu agent frigorific (pur temodinamice)

cu comprimare mecanică de vapori

cu absorbție (comprimare termo-chimică)

2. Procese fără agent frigorific

prin efect termoelectric (efect Peltier)

Efect Ettinghaus

Prin alte procedee termomagnetoelectrice

Aparatele frigorifice pentru uz casnic/comercial

Sunt instalațiile cu comprimare mecanică de vapori, ce folosesc ca agent de lucru agentul frigorific și în care răcirea se face in mod continuu, cu consum de energie.

Agentul frigorific este purtătorul de căldură, care circulă continuu prin instalație, în circuit inchis

Scurt istoric

Necesitatea obținerii temperaturilor scazute a apărut încă din antichitate, datorită nevoii păstrării si racirii alimentelor.

Ca prime încercări s-au fost folosit zăpada si gheața. Acestea erau adunate in timpul iernii si păstrate în pivnițe, peșteri sau locuri bine isolate termic.

O alta metodă folosită pentru realizarea răcirii a reprezentat-o evaporarea apei in mod forțat sub acțiunea curenților de aer creați cu ajutorul unor evantaie.[5]

În 1805 Oliver Evans a proiectat prima instalație frigorifică cu vapori, insa nu a realizat-o practic.

În 1859 Ferdinand Carré a realizat prima mașină frigorifică cu absorbție care avea funcționare continuă. Aceasta folosea un amestec de apă și acid sulfuric concentrat, apa reprezentând agentul frigorific. Ulterior in 1860 Carré utilizează soluția apă-amoniac în instalația de răcire cu absorbție.

În 1870 Carl von Linde și Ferdinand Carré dezvoltă și perfecționează instalația cu comprimare mecanică a vaporilor, iar în 1874 Charles Tellier experimentează tehnologia de conservare prin congelare a cărnii, folosind o instalație cu comprimare mecanică de vapori de eter metilic.

În 1876 se realizează primul transport frigorific de carne congelată din Franța în America de Sud.

În 1913, Altenkirch construiește prima instalație frigorifică cu absorbție, în două trepte.

Începând cu anul 1930 se trece la utilizarea freonilor drept agenți frigorifici.[4]

CAPITOLUL 2

INSTALȚII FRIGORIFICE CARE ECHIPEAZĂ FRIGIDERELE CASNICE [4]

Instalația frigorifică cu comprimare mecanică de vapori realizează ciclul frigorific cu ajutorul unui agent de lucru numit agent frigorific și cu aparatele (figura 2.1):

a) Compresor,(C) unde se realizează creșterea presiunii agentului frigorific;

b) Condensator (K), unde are loc răcirea (condensarea) agentului frigorific;

c) Vaporizator (E sau V), aparat în care agentul frigorific fierbe, prin preluarea căldurii din mediul care urmează a fi răcit;

d) Ventil de laminare sau “capilar” (Ex sau VL), unde datorită micșorării secțiunii de curgere, agentul frigorific își micșorează presiunea.

2.1 Principiul de functionare al aparatelor frigorifice

[2, 3, 4, 7, 8, 21, 26, 32, 36, 37,]

Schema de principiu a unei masini frigorifice

Într-un lichid, atomii și moleculele sunt dispuse mult mai aproape unele de celelalte, în structuri mult mai stabile, prin comparație cu un gaz. Pentru a schimba lichidul în gaz, deci pentru realizarea fenomenului de vaporizare (evaporare), este nevoie de energie pentru a înfrânge rezistența datorată forțelor care țin atomii și moleculele lichidului în structura de fluid. Această energie, sub formă de căldură, este extrasă din volumul din jurul oricărui lichid atunci când se petrece ceea ce numim evaporare, astfel apărând efectul de răcire din timpul acestei transformări. Așadar, evaporarea unui lichid răcește volumul învecinat zonei în care se produce fenomenul. Frigiderele folosesc această proprietate, adică absorb căldura din compartimentul cu alimente prin evaporarea lichidului refrigerant și o degaja mediului ambiant prin condesarea gazului refrigerant (Figura 2.1.1).

Q0 = flux de caldura preluat de la sursa rece

Q = flux de caldura cedat sursei calde

P = putere absorbita

Punctul de vaporizare al unui lichid crește odată cu presiunea la care acesta se găsește. Aceasta înseamnă că multe substanțe care la temperatura camerei sunt gaze, pot fi transformate în lichide prin comprimare. La scoaterea de sub presiune, lichidul revine foarte repede la starea gazoasă prin evaporare, fenomen însoțit de consecințele termice anterior menționate. Frigiderele utilizează pentru răcire ceea ce se numește un agent frigorific – o substanță cu temperatura de vaporizare (fierbere) scăzută, putând deci să absoarbă căldură la temperaturi mai mici decât ale mediului ambiant.[3]

În timpul fucționării, agentul frigorific parcurge următoarele componente ale circuitului frigorific( figura 2.1.2) :

1. Compresorul: este practic cel care pune în mișcare agentul frigorific din instalația de conducte a frigiderului. El pompează fluidul, care se întoarce din vaporizator în stare gazoasă, în condesator, producând astfel o presiune scăzută în vaporizator și una ridicată în condesator (figura2.1.3). Dectul de răcire din timpul acestei transformări. Așadar, evaporarea unui lichid răcește volumul învecinat zonei în care se produce fenomenul. Frigiderele folosesc această proprietate, adică absorb căldura din compartimentul cu alimente prin evaporarea lichidului refrigerant și o degaja mediului ambiant prin condesarea gazului refrigerant (Figura 2.1.1).

Q0 = flux de caldura preluat de la sursa rece

Q = flux de caldura cedat sursei calde

P = putere absorbita

Punctul de vaporizare al unui lichid crește odată cu presiunea la care acesta se găsește. Aceasta înseamnă că multe substanțe care la temperatura camerei sunt gaze, pot fi transformate în lichide prin comprimare. La scoaterea de sub presiune, lichidul revine foarte repede la starea gazoasă prin evaporare, fenomen însoțit de consecințele termice anterior menționate. Frigiderele utilizează pentru răcire ceea ce se numește un agent frigorific – o substanță cu temperatura de vaporizare (fierbere) scăzută, putând deci să absoarbă căldură la temperaturi mai mici decât ale mediului ambiant.[3]

În timpul fucționării, agentul frigorific parcurge următoarele componente ale circuitului frigorific( figura 2.1.2) :

1. Compresorul: este practic cel care pune în mișcare agentul frigorific din instalația de conducte a frigiderului. El pompează fluidul, care se întoarce din vaporizator în stare gazoasă, în condesator, producând astfel o presiune scăzută în vaporizator și una ridicată în condesator (figura2.1.3). Datorită acestei diferențe de presiune, temperatura agetului frigorific din aspirație este mult mai scăzută decât cea din refulare. Temeratura agentului frigorific la intrarea în compresor este aproximativ egală cu cea a mediului ambiant (aprox. 25°C), pe când la ieșirea din compresor el atinge o temratura de aprox 75°C. Temperatura carcasei unui compresor în timpul funcționarii este în jur de 80°C.

Compresorul este situat în spatele frigiderului în partea de jos. Acesta este prins de carcasa de tablă a frigiderului în șuruburi cu amortizoare de cauciuc pentru atenuarea vibrațiilor. La compresor sunt conectate prin sudură 3 conducte:

a) conducta de refulare care se continua în condensatorul de răciere – prin această conductă este împins agentul frigorific în afara compresorului spre condensator;

b) conducta de aspirație prin care agentul frigorific este aspirat din vaporizator – această conductă este în proporție de 90% din aluminiu, capul dinspre compresor fiind din cupru;

c) conducta de încărcare cu lungimea de 150-200mm, numită tub de încărcare, pe unde circuitul frigorific se încarcă cu agent frigorific; după încărcare țeava se obturează.[1]

2. Condesatorul – este un schimbător de căldură și are rolul de a ceda către mediul extern căldura extrasă din volumul care trebuie răcit de către agentul frigorific. În condesator, gazul pompat de compresor, la o presiune ridicată, se lichefiază și cedează căldura mediului extern. (figura2.1.4). El este situat în spatele frigiderului și constă într-o conductă – serpentină de oțel care are un număr variat de curburi. Pentru un schimb cât mai bun de căldură cu exteriorul pe serpentină sunt sudate transversal bare de oțel cu diametru de 1,2…1,5mm. Un capăt al condensatorului este legat direct la compressor prin conductă de refulare iar de celălalt capăt al condensatorului este conectat filtrul deshidrator. Este recomandat ca spațiul dintre peretele lângă care este pus frigiderul și condensator să fie suficient de mare încât ventilația să fie bună.

Figure 2.1.2 Agentul frigorific prin condensator

3. Filtrul deshidrator – se conectează la ieșirea condensatorului. Este un tub de cupru care conține niște site și o substanță higroscopica "silicagel" care absoarbe și reține umiditatea și impuritățile din interiorul sistemul frigorific (figura 2.1.5).

4. Tubul capilar – se mai numește și elementul de control. El creează o rezistență hidraulică în circulația agentului frigorific producând o diferență de presiune între condensator și vaporizator (figura 2.1.6). Agentul frigorific străbate tubul capilar în stare lichidă către vaporizator. În vaporizator datorită presiunii scăzute agentul frigorific lichid se transformă în gaz prin evaporare . Pentru a creea rezistenta hidraulică elementul de control trebuie să aibă lungime mare și un diametru interior mic. Uzual în majoritatea aplicațiilor din domeniul casnic tubul capilar este din curpu cu diametrul exterior Φ1.9mm, diametrul interior Φ0.66mm și lungime cuprinsă între 2 și 4 metrii.

Figure 2.1.4 Agentul frigorific in tubul capilar

5. Vaporizator – aici agentul frigorific intră în contact cu o zonă de presiune scăzută și trece din stare lichidă în stare gazoasă – se evaporă – absorbind astfel căldura interioară din aparatul frigorific. (figura2.1.7). După ce parcurge întreg vaporizatorul, agentul frigorific este aspirat de către compresor și apoi pompat în condesator, reluându-se astfel circuitul frigorific. Vaporizatorul este alcătuit dintr-un tub de aluminiu prin care trece agentul frigorific. Pentru un transfer cât mai bun de căldură, tubul de aluminiu este în contact termic cu o tablă de aluminiu ondulată. Contactul termic al vaporizatorului cu pereții incintei frigiderului se face cu banda simplu sau dublu adezivă. [1]

Figure 2.1.5 Agentul frigorific in vaporizator

2.2 Agenti frigorifici[9]

Pentru a permite funcţionarea ciclică a instalaţiilor frigorifice şi a pompelor de căldură, agenţii termodinamici de lucru din acestea, preiau căldură prin vaporizare şi cedează căldură prin condensare, la temperaturi scăzute sau apropiate de ale mediului ambiant, deci trebuie să fie caracterizate de unele proprietăţi particulare, care îi deosebesc de agenţii termodinamici din alte tipuri de instalaţii. Acesta este motivul pentru care agenţii de lucru din instalaţiile frigorifice şi pompele de căldură, poartă denumirea de agenţi frigorifici.

2.2.1 Proprietăţi ale agenţilor frigorifici

Proprietăţile agenţilor frigorifici sunt impuse de schema şi tipul instalaţiei, precum şi de nivelurile de temperatură ale celor două surse de căldură. Câteva dintre aceste proprietăţi sunt următoarele:

– presiunea de vaporizare trebuie să fie apropiată de presiunea atmosferică şi uşor superioară acesteia, pentru a nu apare vidul în instalaţie;

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

– 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 ireversibilităţi interne, în procesele de laminare adiabatică;

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

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

– să nu fie poluanţi (este cunoscut faptul că unii agenţi frigorifici clasici şi anume câteva tipuri de freoni, contribuie la distrugerea stratului de ozon al stratosferei terestre);

– să prezinte o contribuţie cât mai scăzută la încălzirea globală (este conoscut că o serie de substanţe utilizate în tehnică odată ajunse în atmosferă, contribuie la încălzirea globală a planetei, fenomen denumit şi efect de seră).

Pentru a nu se utiliza denumirile chimice complicate ale acestor substanţe, agenţii frigorifici au fost denumiţi freoni, sunt simbolizaţi prin majuscula R, (de la denumirea în limba engleză – Refrigerant) şi li s-a asociat un număr determinat în funcţie de compoziţia chimică.

2.2.2 Simbolizarea agenților frigorifici [14, 15, 36, 37]

Agenții frigorifici care sunt proveniți din hidrocarburile din categoria alcanilor și a derivaților lor halogenați se simbolizează prin litera R urmată apoi de trei cifre (R xyz), unde:

x –reprezintă numărul de atomi de carbon minus unu;

y – reprezintă numărul de atomi de hidrogen plus unu;

z – reprezintă numărul de atomi de fluor.  Când agentul frigorific conține și atomi de brom, notația va fi urmată de un B, cu un indice ce indică numărul atomilor de brom.  Pentru agenții de tipul alchenelor și pentru al derivaților halogenați ai alchenelor modul de codificare numerică este același ca precedentul, dar se va adauga un 1 pentru cifra miilor (exemplu R1150).  Hidrocarburile ciclice și derivații ciclici care sunt utilizați ca agenți frigorifici sunt simbolizate prin litera C, amplasată înaintea numărului de identificare a fluidului frigorific (exemplu RC 270).  Agenților frigorifici de tipul compușilor organici li se atribuie seria 600, numărul alocat fiecărui fluid fiind arbitrar (exemplu R 630 pentru metilamină).  Agenților care sunt compuși anorganici le este atribuită seria 700 și pentru obținerea nuărului de identificare a fluidului frigorific se adaugă la 700 masa sa moleculară (de exemplu R 717 pentru amoniac).  Amestecurilor zeotrope li se atribuie seria 400, numărul de identificare fiind arbitrar atribuit fiecărui fluid în parte.  Amestecurilor azeotrope le este atribuită seria 500, numărul de identificare fiind de asemenea arbitrar.

2.2.3 Agenții frigorifici utilizați pentru aparatele casnice

Table 2.2.3.1. Agenți frigorifici utilizați pentru aparatele casnice

2.2.4 Tabele termodinamice ale agenţilor frigorifici

În vederea realizării calculelor termice ale ciclurilor după care funcţionează instalațiile frigorifice, se vor determina valorile parametrilor termodinamici ai agenţilor frigorifici, în stările caracteristice acestor cicluri frigorifice. Pentru aceasta, pot fi utilizate tabele sau diagrame termodinamice. În continuare este prezentat un exemplu de tabel care prezintă valori ale parametrilor termodinamici pentru agenţii frigorifici, aflați în stări de saturație – figura 2.2.4.1, respectiv în stări de vapori supraîncălziți – figura 2.2.4.2. Ambele tabele au fost obţinute cu ajutorul programului de calcul CoolPack.

Figure 2.2.4.1 Valori ale parametrilor termodinamici la saturație pentru R134a

Figure 2.2.4.2 Valori ale entalpiei vaporilor supraîncălziți pentru R134a

2.3 IFV cu compressor

2.3.1 Componente[4]

Elementele componente ale instalatiei cu comprimare mecanica de vapori (IFV)

Compresoare frigorifice

Compresorul reprezintă mașina principală a instalației frigorifice cu vapori. El are rolul de a aspira vaporii formați în vaporizator, de a-i comprima și refula în condensator.

Pentru echiparea IFV sînt utilizate compresoare cu piston în mișcare liniară alternativă, rotative, elicoidale precum și turbocompresoare centrifuge și axiale. Alegerea tipului de compresor depinde de puterea frigorifică, condițiile de funcționare și proprietățile agentului de lucru.

Clasificare generala:

Luîndu-se ca bază principiul de producere a comprimării agentului de lucru, se pot deosebi două grupe mari:

compresoare volumice, la care creșterea de presiune a agentului frigorific se obține prin micșorarea volumului ocupat de tranșa de vapori aspirați în spațiul de comprimare;

compresoare dinamice, la care creșterea de presiune a agentului frigorific se obține prin frânarea unui debit de agent, în prealabil accelerat cu ajutorul paletelor unui rotor.

corp;

carcasa ermetică superioară;

carcasa ermetică inferioară;

ureche de fixare;

resort;

corp lagăr;

statorul electromotorului;

lagăr;

arbori de antrenare;

rotorul electromotorului;

maneton;

piston;

cilindru;

placa supapei;

capac cilindru;

racord de aspirație;

ventilator;

orificiu de aspirație;

supapa de aspirație;

supapa de refulare;

racord de refulare.

Puterea maximă a unui compressor capsulat ajunge până la 30 [kW].

Condensatorul

Condensatoarele frigorifice sunt schimbătoare de căldură prin intermediul cărora agentul frigorific cedează mediului ambiant căldura preluată de la consumatorul de frig și cea primită prin procesul de comprimare, mediului ambiant. Cedarea de căldură se realizează cu ajutorul unui agent de răcire.

După natura agentului de răcire, condensatoarele se clasifică în condensatoare răcite cu apă, condensatoare răcite cu aer și condensatoare răcite mixt (cu apă și aer).

Condensatoarele racite cu aer se utilizează în prezent pentru o gamă largă de puteri, ajungând, la milioane de wați din cauza necesității economisirii apei. Aerul ca agent termic are avantajul că este cel mai abundent și mai ieftin, deci este utilizat intens.

Condensatoarele cu circulație naturală a aerului sunt utilizate în aparatele frigorifice casnice, frigidere și congelatoare.

Condensatoarele cu circulație forțată a aerului sunt cele mai răspândite în instalații comerciale și industriale, iar curgerea aerului este asigurată de ventilatoare.(figura 2.3.1.3)

Fig. x Condensator frigorific

Ventil de laminare (tub capilar)

În instalațiile frigorifice laminarea este procesul care se realizează când agentul frigorific lichid trece printr-o secțiune îngustată, datorită căreia se modifică presiunea fluidului, de la valoarea presiunii de condensare a lichidului obținut în condensator, până la valoarea presiunii de vaporizare a agentului care urmează să ajungă în vaporizator. Acest proces se realizează în ventilul de laminare (capilar), care din punct devedere constructiv se aseamănă cu un robinet, sau o diafragmă având orificiul de curgere calibrat. Laminarea este considerată adiabatică deoarece se desfășoară fără interacțiuni termice cu mediul ambiant.

Tubul capilar are si rol de regulator de debit a agentului frigorific lichid. Este construit din cupru. .(figura 2.3.1.4)

Lungimea tubului capilar este strâns legată de tipul compresorului, iar debitul pe care-l asigură este in strânsă dependență cu tipul condensatorului.

Capilarul, prin care circulă agentul frigorific în stare lichidă (cald), se află in interiorul tubului (din Al) prin care circulă vapori (reci) care merg spre aspirația compresorului. Acest ansamblu este practic un schimbător de caldură tip țeavă în țeavă, în care agentul frigorific circulă prin tubul capilar cedând caldură (subrăcindu-se) vaporilor proveniți prin vaporizare (supraîncălzindu-se), vapori reci care sunt aspirați de compressor. Astfel, randamentul instalației este cu până la 20% mai ridicat.

Vaporizatorul

Vaporizatoarele sunt schimbătoare de căldură în care are loc transferul de căldură de la mediul ce urmează a se răci la agregatul frigorific. Este aparatul care realizează efectul util al mașinii.

Tipuri de vaporizatoare:

Senzorul pentru dezgeț împreună cu rezistența pentru dezgheț sunt necesare în procesul de eliminare a gheții acumulate pe lamelele vaporizatorului în timpul funcționării. Sistemul frigorific în acest caz, este comandat prin intermediul unui modul electronic de comandă.

Modalitați de conectare a vaporizatoarelor în cazul combinelor și frigiderelor cu 2 uși.

Figure 2.3.1.9 Exemplu de aparat "no frost" cu vaporizatoarele conectate in serie

Solenoid Valve

Solenoid valva este o electrovana cu o intrare și două ieșiri. Intrarea solenoidului este marcată cu o bandă adezivă colorată. Are rolul de a controla calea de curgere a refrigerantului.

Una din ieșiri directionează agentul de răcire în vaporizatorul de răcitor, iar cealaltă direcționează agentul de răcire in vaporizatorul de congelator.

Electrovana nu are posibilitatea ca ambele ieșiri să fie deschise în același timp. Daca una din ieșiri este deschisă automat cealalta va fi inchisă.

Sistemele de răcire și de control permit scoaterea din circuitul de racire a vaporizatorul de răcitor și a lasă ca agentul de răcire să parcurgă doar vaporizatorul congelatorului.(figura 2.3.1.11)

Alte părți componente ale aparatelor frigorifice

Dulapul (cabinet)

Ușa

Garnitura magnetică (rol de etanșare)

Termostatul / Cardul electronic de comandă și display

Instalația electrică

Accesorii interior (etajere, gratare, coșuri,etc)

Izolația termică

Este realizată din spumă poliuretanică (amestec de poliol și izocianat). Aceasta are rol și de rigidizare și umple spatiul dintre carcasă dulap/ușă și cuvă / contraușa. Acestea din urmă se obțin prin termoformarea de plăci extrudate din polistiren de inaltă densitate (HIPS).

Căldura pătrunde în incinta izolată prin:

-radiație, pe pereții exteriori ai incintei izolate asamblate

-conducție, care traversează izolația

-convecție, circulația aerului în interiorul incintei izolate și cea furnizată de produsele alimentare depozitate.

Filtrul deshidrator

Este componentă a circuitului frigorific cu rol de reținere a umidității din circuit și impurităților mecanice ce pot fi antrenate de agentul frigorific. Este confecționat din cupru, în interior are site de reținere între care se află agentul deshidrator (sub formă de sfere).

Termostatul

Are rol de reglare a temperaturii si mentinerea ei intr-un anumit domeniu de temperatura, prin inchiderea si deschiderea unui contact electric. Acesta inchide sau deschide circuitul de alimentare al motocompresorului. (figura 2.3.1.12)

O alta solutie pentru reglarea temperaturilor o constituie utilizarea cardurilor electronice de comanda, care prin intermediul senzorilor de temperatura plasați în incinta aparatului frigorific, îndeplinesc acelasi rol de “termostat”. (figura 2.3.1.13)

Cardul electronic de control

Preia temperaturile de la senzori, face legatura cu cardul electronic de afișare, controlează componentele active ale aparatului (compresor; solenoid valve și ventilator unde este cazul)

Senzorii de temperatură

Senzorul de pe panoul vaporizator răcitor (Senzor termostat), este acela care controlează răcirea pentru compartimentul răcitor.

Senzorul de aer din răcitor are rolul de a transmite temperaturile pentru afișare și preia controlul când valorile FF thermal cut-in (închidere) sau FF thermal cut-out (deschidere) sunt atinse.

Senzorul de aer din congelator are rol de control și de afișare pentru compartimentul congelator

Afisajul (display electronic)

Rol de afisare a temperaturilor și funcțiilor de control, precum și de setare a temperaturilor dorite și de activare/dezactivare a funcțiilor disponibile conform modelului de aparat în cauză

Scheme electrice

2.3.2 Instalații frigorifice cu comprimare mecanică de vapori într-o singură treaptă

Ciclul ideal de funcționare al unei instalații cu comprimare mecanică de vapori [1, 2, 27, 28]

Ciclul ideal de funcționare al unei instalații frigorifice cu comprimare mecanică de vapori este ciclul Carnot inversat, desfășurat în domeniul vaporilor saturați umezi.

Schema de principiu a instalației frigorifice este prezentată în figura 2.3.2.1, iar diagramele ciclului de funcționare sunt prezentate în figura. 2.3.2.2.

V-vaporizator; C-compresor; K-condensator; D-detentor;

Figure 2.3.2.1 Schema de principiu a instalatiei frigorifice ideale

Figure 2.3.2.2 Ciclul ideal de functionare al instalatiei frigorifice

Compresorul (C) realizează comprimarea adiabatică (1-2) a agentului frigorific, absorbind lucrul mecanic specific (lc). Urmează apoi transformarea de fază (2-3), când în condensator are loc condensarea agentului; transformarea de fază are loc la presiune și temperatură constantă, iar mediului i se cedează cantitatea de căldură (q). La ieșirea din condensator, agentul frigorific este în stare lichidă, punctul (3) situându-se pe curba de vaporizare.

În detentorul (D) are loc procesul adiabat (3-4), în timpul căruia presiunea agentului frigorific scade, fenomen însoțit de producerea lucrului mecanic spcific(ld). În vaporizatorul (V) agentul frigorific suferă o nouă transformare de fază,vaporizându-se (procesul 4-1). Vaporizarea are loc la presiune și temperatură constantă, iar pe parcursul acestui proces de la sursa rece se preia cantitatea de căldură (q0).

Cantitatea de căldură preluată de la sursa rece va fi:

q0 =T0 ⋅∆s,

, iar cantitatea de căldură cedată mediului (sursei calde) este:

|q| =Tk ⋅∆s. 

Lucrul mecanic utilizat pentru funcționarea instalației este dat de relația:

|l|= |lc |-ld =|q|−q0 =(Tk −T0)⋅∆s.

Eficiența frigorică a instalației este:

=

Detentorul produce lucru mecanic prin destinderea adiabată a fluidului de lucru; el poate fi realizat sub forma unei mașini termice cu piston sau a unei turbine cu rotor paletat.

Ciclul teoretic de funcționare al instalațiilor frigorifice reale [1, 2, 12, 27, 28]

Instalațiile frigorifice reale prezintă o serie de deosebiri față de cele ideale:

Conform diagramelor din figura de mai sus, destinderea adiabatică are loc într-un detentor; cum acesta ar fi alimentat cu vapori având titlul redus (sau chiar cu lichid), lucrul mecanic obținut ar fi mic (lichidul este incompresibil și furnizează o cantitate mică de lucru mecanic prin destindere). Ca urmare se preferă înlocuirea detentorului cu un dispozitiv mai simplu din punct de vedere constructiv, denumit ventil de laminare, care prezintă o secțiune de trecere îngustată; unele instalații frigorifice utilizează chiar un tub capilar prin intermediul căruia se realizează scăderea presiunii agentului de lucru. Se consideră că procesul de destindere în ventilul de laminare are loc la entalpie constantă, deoarece nu se produce lucru mecanic prin destindere.

Tot din figura de mai sus se observă că procesul de comprimare are loc în domeniul vaporilor saturați umezi; în realitate, pătrunderea agentului frigorific sub formă de lichid în compresor ar conduce la deteriorarea acestuia; din acest motiv, în instalațiile frigorifice reale procesul de comprimare este deplasat în zona vaporilor saturați uscați, evitându-se astfel pătrunderea lichidului în compresor.

Pentru studiul ciclului teoretic al instalațiilor frigorifice reale se consideră că în compresor are loc o comprimare adiabată.  Având în vedere cele de mai sus, schema instalației frigorifice reale  devine cea din figura. 2.3.2.3, diagramele ciclului teoretic de funcționare fiind cele din  figura .2.3.2.4. 

Procesul (1-2) reprezintă comprimarea adiabatică a vaporilor  supraîncălziți în compresor; ca urmare, presiunea acestora crește de la p0 la pk, iar temperatura de la t0 la tref.

Procesul (2-3) are loc în vaporizator; în prima fază are loc răcirea vaporilor supraîncălziți de la temperatura de ieșire din compresor tref până la temperatura de saturație tk (procesul 2-2’); această răcire are loc la presiunea constantă pk existentă în condensator. Urmează apoi schimbarea stării de agregare a vaporilor saturați (procesul 2’-3), care are loc la presiune și temperatură constantă. În punctul (3) titlul vaporilor este x = 0, deci la ieșirea din condensator agentul frigorific este în stare lichidă.

Figure 2.3.2.3 Instalatia frigorifica reala

V-vaporizator;

C-compresor;

K-condensator;

VL-ventil de laminare.

Figure 2.3.2.4 Ciclul teoretic de funcționare al instalației frigorifice reale

tref-temperatura agentului la ieșirea din compresor.

Destinderea în ventilul de laminare are loc la entalpie constantă (procesul 3-4), iar presiunea agentului scade de la pk la p0; urmează apoi vaporizarea în vaporizator (procesul 4-1), care are loc la presiunea constantă p0 și temperatura constantă T0.

Din figura. 2.3.2.5 se observă că destinderea agentului în ventilul de laminare (procesul 3-4) conduce la o reducere a cantității de căldură extrase de la sursa rece, față de cazul destinderii adiabatice (3-4’):

q 0 < q 0'

. Eficiența frigorifică a ciclului teoretic al instalației frigorifice reale se determină cu relația:

Subrăcirea în instalațiile frigorifice

Creșterea cantității de căldură extrase de la sursa rece se poate obține prin subrăcirea (scăderea temperaturii) lichidului saturat ieșit din condensator. Subrăcirea se poate realiza:

cu apă;

cu agent frigorific.

3-4’-destindere adiabatică;

3-4-destindere izentalpică în ventilul de laminare.

Subrăcirea cu apă

Schema de principiu a instalației frigorifice ce utilizează subrăcirea cu apă este prezentată în figura. 2.3.2.6. Se observă că, după condensatorul (K) s-a adăugat un schimbător de căldură suplimentar, numit subrăcitor (SR), răcit cu apă.

Figure 2.3.2.6 Instalația frigorifică cu subrăcire cu apă

SR- Subrăcitor

Agentul frigorific în stare de lichid saturat care iese din condensator este răcit la presiune constantă (procesul 3-3’, figura 2.3.2.6), în subrăcitor preluându-se de la agentul frigorific cantitatea de căldura qSR; urmează apoi destinderea izentalpică din ventilul de laminare (procesul 3’- 4’).

Din figura. 2.3.2.6 se observă că, față de ciclul fără subrăcire (1-2-3-4), ciclul cu subrăcire (1-2-3’-4’) conduce la creșterea cantității de căldură preluate de la sursa rece cu ∆q0; rezultă deci că utilizarea subrăcirii cu apă conduce la creșterea eficienței frigorifice a ciclului, care se determină în acest caz cu relația:

Figure 2.3.2.6 Diagrama de funcționare a instalației frigorifice cu subrăcire cu apă

Diagrama reală a ciclului cu subrăcire este de fapt cea din figura.2.3.2.7, pe care se evidențiază procesul de subrăcire (3-3’), ce are loc la presiunea constantă din condensator pk; cum în domeniul lichid izobarele sunt foarte apropiate de curba de vaporizare, în practică se admite ca, în diagrama entropică T- s, reprezentarea ciclului cu subrăcire cu apă să fie cea din figura 2.3.2.6a și nu cea din figura 2.3.3.7

Figure 2.3.2.7 Diagrama reală a ciclului de subrăcire cu apă

Subrăcirea cu agent frigorific (subrăcirea internă)

Schema de principiu a unei astfel de instalații frigorifice este prezentată în figura.2.3.2.8; în acest caz subrăcitorul (Sr) este un schimbător de căldură prin care circulă, pe un circuit, agent frigorific sub formă de lichid, ieșit din condensator, iar pe cel de al doilea circuit circulă vapori reci, proveniți din vaporizator. Vaporii răcesc agentul în stare lichidă și se încălzesc preluând căldură de la lichidul ieșit din condensator.

Figure 2.3.2.9 Schema instalației frigorifice cu subrăcire internă

În diagramele T-s și lg p – i (figura 2.3.2.10), procesul (3-3’) reprezintă răcirea lichidului saturat, iar procesul (1-1’) reprezintă supraîncălzirea vaporilor ieșiți din vaporizator. Ambele procese au loc la presiune constantă: încălzirea vaporilor se realizează la presiunea p0 din vaporizator, iar răcirea lichidului la presiunea pk din condensator.

Figure 2.3.2.10 Ciclul de funcționare al insalației cu subrăcire internă

Ținând cont de căldurile specifice diferite ale lichidului și vaporilor (pentru R-134a: la -100C și 1,2 bar, cpv=0.83 kJ/kg.grd; la 300C, cpl=1,44 kJ/kg.grd). se poate aprecia că scăderea de temperatură a lichidului este aproximativ jumătate din creșterea de temperatură a vaporilor de agent. Literatura de specialitate recomandă ca valoarea temperaturii t1' să fie cuprinsă între t0 și tk-(10÷20)°C. O creştere atât de importantă a temperaturii vaporilor și respectiv o subrăcire atât de avansată a lichidului saturat impun suprafeţe mari de schimb de căldură ale subrăcitorului. În consecinţă, din considerente tehnico-economice, de cele mai multe ori, în practică, subrăcirea maximă a lichidului este de numai 5…10°C, iar supraîncălzirea vaporilor este corespunzător de 10…20°C.

Eficiența frigorifică a ciclului cu subrăcire internă se determină cu relația:

Cantitatea de căldură transferată de la lichidul saturat la vapori este:

=−=−

 La unele instalații frigorifice, în zona terminală a condensatorului se realizează o subrăcire a lichidului saturat.

Ciclul real de funcționare al instalațiilor frigorifice [2, 3, 6, 12, 21, 26, 27, 28]

Funcționarea în condiții reale a instalației frigorifice prezintă unele diferențe față de cazul teoretic :

transferul termic în condensator şi vaporizator are loc la diferenţe finite de  temperatură; diferențele de temperatură sunt cuprinse între 5 și 80C pentru  lichide și între 10 și 200C pentru aer.

curgerea fluidului este însoțită, pe tot traseul (inclusiv în condensator și  vaporizator), de pierderi de presiune;

procesul din compresor este o comprimare politropică, al cărui indice, diferit  de exponentul adiabatic, se modifică pe parcursul procesului.  Având în vedere cele menționate, ciclul real al unei instalații frigorifice  este prezentat în figura 2.3.2.11;

Procesele care au loc sunt urmatoarele:

1→2 – comprimarea politropică a vaporilor în compresorul instalației;

2→3 – curgerea vaporilor supraîncălziți prin supapa de refulare a  compresorului și conducta de legătură cu condensatorul. Curgerea este însoțită de o cădere de presiune, dar și de răcirea vaporilor, conducta de legătură nefiind de obicei izolată termic.

3→4 – răcirea vaporilor supraîncălziți în condensator, însoțită de o ușoară scădere a presiunii datorată rezistenței opuse la curgerea fluidului;

4→5 – transformarea de fază (condesarea), însoțită de o scădere a presiunii, care apare din cauza lungimii apreciabile a traseului fluidului; în plus, datorită diferenței de temperatură existentă între condensator și mediul înconjurător, trecerea agentului frigorific prin condensator este însoțită și de o scădere a temperaturii sale.

5→6 – subrăcirea, în partea finală a condensatorului sau în subrăcitor, curgerea lichidului fiind însoțită de o ușoară cădere de presiune.

Figure 2.3.2.11 Ciclul real de funcționare al instalației frigorifice

6→7 – trecerea lichidului saturat prin conducta de legătură dintre condensator și ventilul de laminare; în cele mai multe instalaţii frigorifice lungimea acestei conducte este semnificativă, ceea ce se reflectă în valoarea relativ mare a căderii de presiune.

7→8 – destindere izentalpică a agentului în ventilul de laminare;

8→9 – vaporizarea agentului frigorific în vaporizator, proces însoțit de o cădere de presiune datorată rezistenței opuse de conducte, precum și de o modificare a temperaturii, ce apare din cauza diferenței dintre  temperatura vaporizatorului și cea existenă în spațiul răcit;

9→10 – la majoritatea instalațiilor frigorifice, la ieșirea din vaporizator a  vaporilor, aceștia sunt ușor supraîncălziți;

10→11 – curgerea vaporilor prin conducta dintre vaporizator și  compresor; de obicei această conductă este izolată termic, astfel încât se  manifestă doar o ușoară scădere a presiunii agentului;

11→1 – supraîncălzirea vaporilor aspirați în compresor de către motorul  electric de acționare (la compresoarele ermetice și semiermetice), însoțită de scăderea presiunii la trecerea prin supapa de aspirație.  Pentru un calcul simplificat al instalației frigorifice se poate presupune că  ciclul de funcționare se desfășoară conform schemei din figura2.3.2.12, în care se neglijează pierderile de presiune și se ține cont doar de procesul de comprimare politropică a agentului în compresor. Pe diagramă, procesul real de comprimare (politropic) este reprezentat de curba 1→2, în timp ce procesul 1→2’ reprezintă comprimarea adiabatică, utilizată la trasarea ciclului teoretic. Se observă că procesul real de comprimare conduce la creșterea lucrului mecanic necesar comprimării:

l > l' 

Se definește randamentul izentropic al compresorului ca fiind:

Figure 2.3.2.12 Schemă simplificată a ciclului real al instalației frigorifice

1→2 – comprimarea politropică;  

1→2’ – comprimarea adiabatică.

Randamentul izentropic al compresorului are valori cuprinse între 0,6 și 0,8; cunoscând valoarea randamentului izentropic se poate determina entalpia la sfârșitul comprimării:

Pentru a se evita pătrunderea de agent frigorific în stare lichidă în compresor, la unele instalații frigorifice (în special atunci când vaporizatorul este imersat în lichidul ce trebuie răcit) se prevede introducerea unui separator de lichid, confrm schemei din figura. 2.3.2.13.

Figure 2.3.2.14 Schema instalației frigorifice cu separator de lichid

C-compresor;

K-condensator;

VL-ventil de laminare;

SL-separator de lichid;

V-vaporizator.

Lichidul saturat ieșit din ventilul de laminare ajunge în separatorul de lichid (SL); aici lichidul se separă către partea inferioară, trecând apoi în vaporizator, în timp ce eventualii vapori formați sunt colectați la partea superioară a separatorului. Vaporii ieșiți din vaporizator ajung din nou în separator; lichidul antrenat de către vapori se va separa la partea inferioară, în timp ce vaporii se ridică la partea superioară a separatorului, fiind aspirați în compresorul (C).

2.4. IFA cu absorbție de amoniac in apa și gaze de compensare [10],[11]

. a) STANDUL EXPERIMENTAL este compus din:

Instalația frigorifică

Instalație frigorifică cu absorbție de amoniac în apă este alimentată cu energie termică furnizată de o rezistență electrică și are un consum energetic anunțat de producător de 1,15 kWh/zi (figura 2.4.1).

Figure 2.4.1 Schema instalației frigorifice cu absorbție care echipează standul experimental

Principiul care stă la baza funcționării acestui sistem frigorific este legea lui Dalton pentru amestecurile de gaze, aplicabilă în cazul vaporizatorului instalației frigorifice unde se gasește hidrogen de compensare, necesar pentru obținerea unei presiuni scăzute de vaporizare a amoniacului și implicit a unei temperaturi scăzute de vaporizare.

Acest sistem frigorific este folosit pe scară largă în frigiderele casnice, comerciale precum și în climatizarea autovehiculelor și clădirilor. Conține în principal patru aparate schimbătoare de căldură și anume: un generator de vapori fierbător, un condensator, un vaporizator și un absorbitor.

Instalația este încărcată cu soluție hidroamoniacală (apă și amoniac) și cu hidrogen care datorită densității reduse se acumulează la partea de sus a vaporizatorului. Presiunea este aceeași în tot sistemul frigorific, suficient de mare încât să permită condensarea amoniacului în condensatorul răcit cu aer ambiant.

Vaporii de agent frigorific, adică de amoniac, sunt eliberați de către soluția hidroamoniacală printr-un proces de fierbere care se produce în generatorul – fierbător.

Căldura necesară procesului de fierbere este furnizată fir prin arderea unui gaz combustibil sau a kerosenului (caz în care arzătorul este plasat sub tubul cenntral A) sau este furnizată de o rezsitență electrică plasată în locașul B.

Vaporii degazați trec prin sifonul C antrenând cu ei și picături din soluția lichidă săracă în amoniac. Soluția lichidă săracă în amoniac va circula prin tuburile notate cu D în timp ce vaporii de amoniac intră în conducta E și apoi în deflegmator unde se produce o condensare parțială a vaporilor bogați în apă care curg înapoi spre generator, în timp ce vaporii concentrați în amoniac vor parcurge circuitul frigorific către condensator. După condensare, amoniacul lichid trece printr-un schimbator de caldură regenerativ și apoi pătrunde în vaporizator.

Hidrogenul prezent în vaporizator produce scăderea presiunii amoniacului suficient de mult încât acesta să înceapă să fiarbă, extrăgând căldură din mediul răcit.

Amestecul de hidrogen și de vapori de amoniac din vaporizator trece din vaporizator în absorbitor. În același timp, un curent de soluție lichidă săracă în amoniac pătrunde din tubul D în absorbitor pe la partea de sus, datorită acțiunii forțelor gravitaționale. Soluția lichidă intră astfel în contact cu vaporii de amoniac amestecați cu hidrogen. Amoniacul este absorbit în soluție, în timp ce hidrogenul urcă și se reîntoarce în vaporizator. Hidrogenul în concluzie circulă liber între vaporizator și absorbitor.

Soluția bogată în amoniac produă în absorbitor circulă în jos către colectorul absorbitorului și apoi către generatorul fierbător.

Instalația funcționează continuu atâta timp cât este alimentată cu căldură.

Aparatură de măsură și control

Aparatele de măsură și control montate pe instalație sunt:

– sistem de monitorizare Dixell maxim 12 puncte de măsură – 1 buc

– senzori de temperatură amoniac -40…150oC (intrare generator, ieșire generator, ieșire condensator, ieșire absorbitor, intrare vaporizator,ieșire vaporizator) – 6 buc

– controlleri de temperatură – 6 buc

– Adaptor Rs485

– Cablu serial pentru adaptor Rs485

– Transformator 220/12 V

b) MĂRIMI MĂSURATE

– presiunea din sistem care este de fapt presiunea la care se produc condensarea vaporilor de amoniac și fierberea soluției hidroamoniacale pc = pg [bar] =psNH3(tc)

– temperatura la ieșirea din generator tGe [oC]=t3` =

– temperatura la intrarea în generator t1a [oC] =

– temperatura soluției sărace la intrarea în absorbitor tAi [oC] = t3a =

– temperatura la ieșirea din colectorul absorbitorului tAe [oC]=t9' =

– temperatura la ieșirea din condensator t4 [oC] =

– temperatura la ieșirea din vaporizator to [oC] =

– puterea rezistenței electrice Pel [kW] = 50 W

c) ALGORITMUL PENTRU PRELUCRAREA DATELOR EXPERIMENTALE

Ciclul de funcționare al sistemului frigorific este cel specific instalației cu absorbție ameliorate, cu deflegmator și schimbătoare de căldură regenerative atât în circuitul frigorific cât și în circuitul de recombinare a amoniacului cu soluția săracă. Reprezentarea ciclului termodinamic în coordonate h (entalpie specifică) – ξ (concentrație în amoniac) este conform figurii 2.4.2

Figure 2.4.2 Ciclul de funcționare al instalației frigorifice din standul de laborator

d) MĂRIMI CALCULATE:

– temperatura de condensare tc = tsNH3(pc)

– presiunea de vaporizare p'o = psNH3(to) care se corectează conform metodologiei clasice de calcul termic pentru a compensa faptul ca amoniacul nu este 100 % pur, așa încât po = 0.95.p'o

– presiunea parțială a hidrogenului pH2 = pc-po

– mărimile de stare în punctele principale ale ciclului frigorific după cum urmează:

Se calculează apoi intervalul de degazare și se verifică valoarea acestuia:

precum și condiția ca

Datorită faptului că instalația este prevăzută cu deflegmator, se alege care este valoarea maximă recomandată a vaporilor degazați de un generator după care este plasat un deflegmator

(3a=7) =

(1a) din ecuația de bilanț termic pe schimbătorul de căldură pentru lichid

– cu factorul de circulație

– sarcina termică specifică a generatorului

qg = h2" – h3' + f (h3' – h1a) [kJ/kg]

– puterea frigorifică specifică

q0 = h6 – h5 [kJ/kg]

– sarcina termică specifică a condensatorului:

= hg – h4 [kJ/kg]

– sarcina termică specifică a absorbitorului

[kJ/kg]

– sarcina termică specifică a deflegmatorului

[kJ/kg]

în care se va folosi pentru simplificarea calculelor coeficientul ideal de reflux al deflegmării

Pentru determinarea stării 4a, se va considera un grad de subrăcire a amoniacului în schimbătorul de căldură regenerativ plasat după condensator (schimbătorul de gaze din schema instalației) de 10 grd, așa încât

(4a)=

(6a) se determină din ecuație de bilanț termic aplicată pe schimbătorul de căldură regenerativ

– debitul masic din circuitul frigorific condensator-vaporizator

[kg/s]

– debitul masic de soluție bogată în amoniac [kg/s]

– sarcina termică a condensatorului [kW]

– sarcina termică a absorbitorului [kW]

– sarcina termică a deflegmatorului

– puterea frigorifică [kW]

– coeficientul de performanță

În unele instalații frigorifice de capacitate mică (frigidere) se utilizează mașini cu absorbție cu gaz inert. Amestecul de lucru este format din apă (absorbant), amoniac (agent frigorific) și un agent de transport (hidrogen).Gazul inert (hidrogenul) are următoarele roluri:

• este utilizat ca mediu de egalizare a presiunilor între diferitele părți componente ale instalației și elimină pompa de circulație a soluției dintre absorbitor și generator;

• servește ca mediu de transport pentru agentul frigorific.

Amplasarea elementelor componente ale unei astfel de instalații frigorifice într-un frigider cu absorbție rezultă din figura 2.4.3.

Figure 2.4.3 Frigider cu absorbție și gaz inert

1-rezervor soluție bogată;

2-serpentina termosifonului;

3-generator de vapori;

4-rectificator;

5-rezervor de hidrogen;

6-condensator;

 7-economizor pentru gaze (E1);

8-vaporizator;

9-absorbitor; 

10-racord soluție săracă;

11-economizor lichide (E2);

12-rezistență electrică;

13-racord de umplere a instalației; 

14-deflegmator.

2.5. Instalații frigorifice termoelectrice [6]

Efectele termoelectrice, care apar în conductoarele străbătute de curent electric în prezenţa unui gradient de temperatură, sunt rezultatul interdependenţei între curentul electric şi curentul caloric. Există trei efecte termoelectrice: efectul Seebeck, efectul Thomson şi efectul Peltier.

Efectul Seebeck constă în apariţia unei tensiuni termoelectrice în conductoare de natură diferită, ale căror suduri (1 și 2, figura. 2.5.1) se găsesc la temperaturi diferite. Acest fenomen a fost pus în evidență de către Thomas Seebeck în anul 1821. Tensiunea Seebeck depinde de natura conductoarelor şi de gradientul de temperatură și este dată de relația:

U=(SA −SB)⋅(T2 −T1),

în care SA și SB sunt coeficienţii termoelectrici absoluţi (coeficienții Seebeck) corespunzători materialelor din care sunt realizate conductoarele, iar T1 și T2 sunt temperaturile celor două suduri. Efectul Seebeck are aplicaţii la confecţionarea termocuplelor, dispozitive care sunt folosite la măsurarea temperaturilor. Materialele din care sunt confecţionate termocuplele se aleg în funcție de intervalul de temperatură, de precizia necesară, de cost, durata de viaţă etc.

Figure 2.5.1 Efectul Seebeck

A, B-conductoare din metale diferite;

1, 2-suduri;

 3-voltmetru.

În 1834 Jean Peltier a descoperit că, trecând curent electric prin sudura realizată din două metale diferite, în funcție de sensul curentului, se absoarbe sau se cedează o cantitate o cantitate de căldură proporțională cu cantitatea de electricitate ce traversează joncțiunea, acesta fiind denumit efectul Peltier. În cazul schemei din figura.2.5.2, sudura (4) se răcește (este sudura rece), în timp ce sudura (3) se încălzește (aceasta fiind sudura caldă).

Figure 21 Efectul Peltier

1, 2-conductori;

3, 4-suduri;

-căldura absorbită;

-căldură cedată.

Efectul Peltier este redus în cazul utilizării metalelor, el putând fi amplificat prin utilizarea semiconductorilor de tip p și n (figura. 2.5.3). Aceștia sunt obținuți din semiconductori puri (Ge, Si) cărora li se adaugă impurități (In, Sb).

Fluxul de căldură schimbat prin efect Peltier cu mediul înconjurător în punctul de joncțiune a doi semiconductori este:

= ⋅I=(−)⋅I [W],

În care ∏12 este coeficientul Peltier al cuplului format din cei doi semiconductori, ∏1 și ∏2 sunt coeficienții Peltier ai celor două materiale (Π=S∙T), iar I este intensitatea curentului electric [A].

Efectul Peltier este diminuat de două fenomene auxiliare:

 • încălzirea semiconductorilor la trecerea curentului electric, prin efect

Joule-Lenz; 

• transferul de căldură prin conducție de la sudura caldă la cea rece.

Figure 22 Obținerea efectului Peltier cu ajutorul semiconductorilor

1-semiconductor de tip n;

2-joncțiune;

3-semiconductor de tip p.

Fluxul de căldură din cauza efectului Joule-Lenz este:

= [W],

Pentru calculul puterii frigorifice se admite că jumătate din această căldură se transmite sudurii calde și jumătate sudurii rece.

Transferul de căldură de la sudura cală la cea rece este dat de relația:

=k⋅(T−) [W],

în care k este coeficientul global de transfer de căldură de la sudura caldă la cea rece [W/grd], T este temperatura sudurii calde, iar T0 este temperatura sudurii reci. Coeficientul global de transfer de căldură se poate determina cu relația:

k=⋅(λ1⋅s1 +λ2 ⋅s2),

în care λ1 și λ2 sunt coeficienții de conductivitate termică ai celor două materiale [W/m·grd], s1 și s2 sunt secțiunile celor două brațe ale elementului Peltier [m2], iar l este lungimea [m].

Ținând cont de cele menționate mai sus, puterea frigorifică va fi:

= ⋅⋅I−0,5⋅R⋅ −k⋅(T−)[W].

Puterea frigorifică maximă se obține punând condiția = 0 , care ne conduce la valoarea optimă a intensității curentului:

iar puterea frigorifică maximă va fi:

Temperatura minima a sudurii reci se obține atunci când fluxul de căldură datorat efectului Peltier compenseză căldura transferată prin conducție și cea produsă de efectul Joule-Lenz:

F =p −0,5⋅j.

Introducând relația pentru intensitatea optimă a curentului electric și ținând cont de relațiile de mai sus, rezultă diferența de temperatură maximă ce se poate obține prin efect Peltier:

Aceasta relație permite determinarea temperaturii sudurii reci in funcție de temperature sudurii calde:

Eficiența frigorifică a elementului Peltier se definește ca fiind:

unde P este puterea consumată:

 P=R⋅I2 +( − )⋅I

Astfel, eficiența frigorifică va fi:

Fluxul de căldură cedat de către sudura caldă se determină din relația:

⇒

Eficiența frigorifică maximă rezultă punând condiția:

relație din care rezultă intensitatea curentului electric:

I= 1+M),

În care :

M=

Înlocuind intensitatea curentului în relația eficienței frigorifice, în final obținem eficiența frigorifică maximă:

adică o eficiență mai mică decât cea a ciclului Carnot invers delimitat de temperaturile T și T0.

Un sistem de răcire utilizând un element Peltier este construit, în principiu, conform schemei din figura.2.5.4. Se observă că elementul (3) este montat între radiatoarele (2) și (4), unul aflându-se în spațiul care trebuie răcit, iar cel de al doilea în exteriorul acestuia. Ventilatoarele (1) și (5) asigură circulația aerului peste radiatoare, îmbunătățind condițiile în care are loc transferul de căldură; în plus, ventilatorul din spațiul răcit asigură, prin circulația aerului, uniformizarea temperaturii în întregul volum.

Figure 23 Sistem de răcire cu element Peltier

1, 5-ventilatoare;

2, 4-radiatoare;

3-element Peltier

Un material curent utilizat pentru realizarea elementelor Peltier este Bi2Te3; pentru semiconductorul de tip n, coeficientul Seebeck este S = −287μV / K , iar pentru semiconductorul de tip p coeficientul Seebeck este

S = 81μV / K . 

Temperatura minimă realizată cu un singur element Peltier poate atinge valori de până la -300C; temperaturi mai scăzute se realizează prin montarea în serie a mai multor elemente Peltier.

Principalele dezavantaje ale utilizării elementelor Peltier pentru racier sunt legate în primul rând de costul ridicat al acestora, dar și de fragilitatea elementelor, care nu rezistă șocurilor mecanice.

Figure 2.5.5 Element Peltier

Figure 24 Minifrigider cu element Peltier, alimentat din portul USB al calculatorului

CAPITOLUL 3.

Calculul termic al unei instalații frigorifice cu

comprimare mecanică de vapori cu diverși agenți

frigorifici[11]

Pentru a se realiza o analiză economico-comparativă pentru diferiți agenți frigorifici se rulează calculul termic al IFV pentru anumiti parametrii în programul de calcul EES Professional, în acest mod urmărindu-se stabilirea performanțelor pentru agenții frigorifici doriți.

Calculul termic al IFV pentru frigiderul casnic

Se introduc ca date de intrare urmatoarele:

Puterea frigorifică

0,200 KW

Temperaturile în punctele principale ale ciclulului

–temperatura de vaporizare

–temperature de condensare

Gradul de subrăcire

tsr = 15

În urma calculării mărimilor de stare si rulării programului se obțin următoarele valori pentru agenții frigorifici aleși.

Table 3.1 Tabel parametrii agenți frigorifici

Pentru evaluarea parametrilor în vederea stabilirii unei performanțe cât mai bune a agenților frigorifici se urmărește obținerea unui coeficient de performanță cât mai mare și al unui randament cât mai ridicat. În funcție de debitul volumic al agentului frigorific aspirat de compresor se stabilesc și dimensiunile compresorului folosit în instalația frigorifică.

CAPITOLUL 4.

Producători actuali de frigidere

[38], [39], [40], [11]

Arctic

În 1968 ia fiinta compania Arctic sub licența Thomson Houston, urmând ca în 1970 să se realizeze prima producție de frigidere.

Între 1972-1990 Arctic devine marca reprezentativă pentru români, iar în 1994 prin adrearea la protocolul de la Montreal compania devine primul producător est-european care elimină freonul din procesul de producție.

În anul 2002 grupul Arcelik achizitionează compania Arctic.

Arctic se numara printre cele mai mari 100 de companii private din Romania, fiind lider detasat pe piata locala de electrocasnice cu o cota de piata de circa 35%.

Compania Arctic detine in Romania 3 branduri puternice – Arctic, Beko si Grundig, oferind produse performante, la standarde internationale.

Pana in prezent, Arctic a produs peste 20.000.000 de frigidere.

Capacitatea de productie a fabricii a crescut de la 400.000 de unitati in 2001 la 1.400.000 de unitati in 2010. In momentul de fata, la Gaesti se produc circa 500 de tipuri de aparate frigorifice, destinate atat pietei interne, cat si pietelor internationale.

Din anul 2004, fabrica Arctic a beneficiat de investitii importante in noi tehnologii, dar si de implementarea unor sisteme moderne de management al productiei, precum Total Productive Maintenance si Six Sigma.

Electrolux

AB Electrolux este unul dintre cei mai mari producatori din lume de aparate si echipamente de bucatarie si curatenie. Electrolux este, de asemenea, unul din cei mai mari producatori din lume de echipamente similare destinate utilizatorilor profesioniști.

Electrolux oferă o gamă largă de frigidere, congelatoare și lăzi frigorifice.

Originile Electrolux pot fi urmărite de la introducerea aspiratorului și inventarea frigiderului absorbție

Datorita cresterii interesului pentru frigiderele cu absorbție Elektrolux în 1927, o companie americana, Severel Incorporated, a inceput să fabrice frigidere Elektrolux sub licență pentru piața americană. Din punctual de vedere al companiei Elektrolux , acest aranjament de cooperare prezintă un multe avantaje deoarece Severel fabrica compresoare frigorifice pentru dulapuri frigorifice mari și instalații de răcire. Parteneriatul cu Severel a poferit firmei Elektrolux sansa de a intra pe piața suedeză de echipamente frigorifice profesionale.

În anul 1930, frigiderele s-au dezvoltat într-un ritm amețitor. Primul frigider, modelul M 3, a fost introdus în 1930. În anul următor, a aparut primul model răcit cu aer, L 1. În 1936, Elektrolux și-a fabricat primul frigider.

Astăzi, Electrolux este un lider global în dispozitive și aparate pentru uz casnic, a vandut mai mult de 50 de milioane de produse pentru clienti din mai mult de 150 de piete in fiecare an. Compania face soluții inovatoare, bazate pe cercetări extinse de consum, îndeplinind dorințele consumatorilor și profesioniștilor de astăzi. Electrolux produce frigidere, mașini de spălat vase, mașini de spălat rufe, mașini de gătit, aparate de aer condiționat și aparatele mici, cum ar fi aspiratoare, toate vândute sub marci renumite ca Electrolux, AEG, Eureka si Frigidaire.

Ariston

Una dintre companiile de top din lume în confort termic, Ariston Thermo oferă o gamă completăde produse, sisteme, servicii și soluții concepute pentru a oferi gradul maxim de confort cu utilizarea minimă de energie.

CAPITOLUL 5.

Analiza comparativă economică a frigiderelor cu

compresor de cele cu absorbție[11]

Se efectuează compararea costurilor anuale echivalente pentru frigider casnic echipat cu IFV si frigider casnic echipat cu IFA-NH3 si gaz de compensare (H2).

Ambele instalații aparțin clasei de eficiență energetică A+, și au o putere frigorifică :

și următoarele coeficiente de performanță:

Se efectuează calculul puterii consumate de fiecare instalație în parte, astfel:

Puterea electrică consumată de o IFV:

Puterea termica consumată de o IFA:

Se consideră costul inițial al IFV:

Costul inițial al IFA necesar va fii calculate asa încat să fie la fel de eficient cu IFV

Se consideră că instalațile au ca durate de viață:

și

Dobânda plătită este :

d= 10%

Pentru calculul costului trebuie rezolvată următoarea ecuație:

(

,

În cazul IFA se disting 2 cazuri:

Pentru o IFA alimentată cu energie termică produsă de o rezistență electric, se consideră costul unitar al energiei electrice consumate :

Durata de funcționare la putere maximă:

Costul anual al energiei consumate de IFV (costul de operare CO)

Costul anual al energiei consumate de IFA

lei/an

ei

Concluzii:

Chiar dacă CIIFA ar fi zero, costurile de operare o fac mai puțin eficientă decât IFVul

Pentru o IFA alimentată cu energie termică produsă de arderea gazului provenit de la rețeaua orașului , costul unitar al energiei termice degajate din arderea gazului este:

lei/an

Costul unitar al energiei consumate de IFA:

ei

Bibliografie

[1] Badea A. [.a., 2003 – Bazele termoenergeticii. Univ. „Politehnica”, București.

[2] Bălan M. – Instalații frigorifice, teorie și programe de instruire. Univ. Tehnică Cluj-Napoca (http://www.termo.utcluj.ro/if/).

[3] Bălan M., Pleșa Angela, 2003 – Instalații frigorifice – construcție, funcționare și calcul. Univ. Tehnică Cluj – Napoca

[4] Normativ intern Arctic

[5] Frigidere și congelatoare casnice, Traian Sarac, editura tehnica

(6) Chiriac, F., 1981 – Instalaţii frigorifice. Edit. Didactică şi Pedagogică,  Bucureşti.

[7] Chiriac F. ş.a., 1979 – Instalaţii frigorifice – calculul termic al instalaţiilor  frigorifice cu comprimare mecanică de vapori (îndrumător de proiectare).  Institutul de Construcţii, Bucureşti.

[8] Dănescu A., Nicolescu T., 1967 – Termotehnică și instalații termice în agricultură. Edit. Didactică și Pedagogică, București.

[9]http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/3_3.pdf

[10] Referat de laborator

[11] Sport curs Instalații frigorifice

[12] Gheorghe V.D., 2000 – Procese în instalaţii frigorifice. Edit. Mediamira, Cluj-Napoca.

[14] Hera D., 2004 – Instalaţii frigorice – vol. 1 (agenţi frigorifici). Edit. MATRIXROM, Bucureşti.

[15] Horbaniuc B, 2006 – Instalații frigorifice și de climatizare în industria alimentară (vol. 1). Edit. Cermi, Iași.

[21] Necula H., 2005 – Instalaţii frigorifice. Edit. BREN, Bucureşti.

[26] Porneală S., Bălan M., 2003 – Utilizarea frigului artificial. Edit. Todesco, Cluj-Napoca (http://www.termo.utcluj.ro/ufa/index.html).

[27] Porneală, S. ş.a., 1986 – Tehnologia utilizării frigului artificial. Univ. Galaţi.

[28] Porneală S., Porneală, D. 1997 – Instalaţii frigorifice şi climatizări în  industria alimentară. Teorie şi aplicaţii numerice. Edit. Alma, Galaţi.

[32] Stamatescu C. ş.a., 1979 – Tehnica frigului – Calculul si construcţia maşinilor şi instalaţiilor frigorifice industriale (vol 2). Edit. Tehnică,  Bucureşti.

[36] Trott A. R., Welch, A., 2000 – Refrigeration and Air Conditioning. Butterworth&Heinemann, Oxford, UK.

[37] Wang S.K., Lavan Z., 1999 – Air Conditioning and refrigeration. Mechanical Engineering Handbook, CRC Press LLC, Boca Raton, USA.

[38] www.arctic.ro

[39] http://newsroom.electrolux.com/ro/

[40] http://www.ariston.com/ro/