Capitolul Vi Frig August 2017 Final [309192]
CAPITOLUL VI
INSTALAȚII FRIGORIFICE
CUPRINS
VI. INSTALAȚII FRIGORIFICE 5
VI.1. Noțiuni generale privind instalațiile frigorifice 5
VI.1.1. Principiul de funcționare a instalațiilor frigorifice 6
VI.1.2. Principii de realizare și funcționare a IFV 7
VI.1.3. Semne convenționale 8
VI.1.4. Mărimi și unități de măsură 8
VI.2. Domenii de utilizare a frigului artificial 9
VI.2.1. Frigul în industria alimentară 9
VI.2.2. Frigul în construcții 12
VI.2.3. Frigul în cercetarea științifică 12
VI.2.4. Alte domenii de utilizare a frigului artificial 12
VI.3. Procese de producere a frigului artificial 14
VI.3.1. Noțiuni de bază privind producerea frigului artificial 14
VI.3.2. Metode de producere a frigului artificial 15
VI.3.3. Frigul produs prin vaporizarea unui lichid 16
VI.3.4. Procese termodinamice în circuit deschis 18
VI.4. Structura sistemelor frigorifice 20
VI.4.1. Părțile componente ale instalațiilor frigorifice 20
VI.4.2. Vaporizatorul (V) 22
VI.4.3. Condensatorul (C) 23
VI.4.4. Compresorul (K) 23
VI.4.5. Ventilul de laminare (VL) 24
VI.5. [anonimizat] a instalațiilor frigorifice 27
VI.5.1. Clasificarea instalațiilor frigorifice și a metodelor de producere a frigului artificial 27
VI.5.2. [anonimizat] 28
VI.5.3. Soluții și scheme generale ale instalațiilor frigorifice 28
VI.6. Agenți frigorifici 30
VI.6.1. Clasificarea agenților frigorifici 30
VI.6.2. Proprietăți ale agenților frigorifici 34
VI.6.4. Domenii de utilizare a agenților frigorifici 35
VI.6.5. Agenți de lucru ai instalațiilor frigorifice cu ejecție (IFE) 36
VI.6.6. Agenți de lucru ai instalațiilor frigorifice cu absorbție (IFA) 37
VI.6.7. Agenți intermediari 39
VI.7. Materiale și echipamente specifice instalațiilor frigorifice 39
VI.7.1. Compresoare frigorifice 39
VI.7.2. Condensatoare 45
VI.7.3. Ventilul de laminare 50
VI.7.4. Vaporizatoare 51
VI.7.5. Vana de expansiune 57
VI.7.6. Alte componente 58
VI.7.7. Țevi și fitinguri utilizate la realizarea instalațiilor frigorifice 59
VI.8. Elemente de calcul ale instalațiilor frigorifice 60
VI.8.1. Dimensionarea IFV cu o treaptă 60
VI.8.2. Exemplu de calcul 62
VI. INSTALAȚII FRIGORIFICE
VI.1. [anonimizat], a răcirii artificiale este legată de istoria preocupărilor pentru realizarea unui confort și a unor condiții de viață mai bune.
Fig.VI.1.1. Instalații frigorifice
Tehnica producerii frigului artificial cunoaște o [anonimizat], iar domeniile în care utilizarea frigului se consideră a fi absolut indispensabilă sunt nenumărate.
[anonimizat] – [anonimizat] o componentă utilă ci una absolut necesară. [anonimizat] a [anonimizat].
[anonimizat] a proceselor de lucru care asigură funcționarea mașinilor și instalațiilor frigorifice.
Diversificarea și modernizarea tehnologiilor de utilizare a frigului artificial dar și valențele determinate de aspectele energetice din cadrul proceselor industriale – consecință directă a necesității economisirii de energie – determină exigențe și orientări noi privind analiza proceselor frigorifice.
VI.1.1. Principiul de funcționare a instalațiilor frigorifice
Instalațiile frigorifice 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, așa cum se observă și pe schema energetică din Fig VI.1.2.
Fig.VI.1.2. Principiul de funcționare a instalațiilor frigorifice și a pompelor de căldură
Acesta poate să fie considerat cel mai simplu model de instalație frigorifică, deoarece nu conține nici un element de natură constructivă. Din acest punct de vedere poate să fie asimilat cu o "cutie neagră", a cărei funcționare va fi analizată în continuare și care urmează să fie deschisă pentru a i se studia componența și a i se releva secretele de proiectare, exploatare și automatizare.
Mediul cu temperatura mai scăzută, de la care se preia căldură este denumit sursa rece, iar mediul cu temperatura mai ridicată, căruia i se cedează căldură, este denumit sursa caldă.
Este cunoscut că având capacitate termică infinită, temperaturile surselor de căldură rămân constante chiar dacă acestea schimbă căldură.
În cazul instalațiilor frigorifice, sursa rece se găsește sub temperatura mediului ambiant, iar procesul de coborâre a temperaturii sub această valoare, este denumit răcire artificială.
Agentul de lucru folosit în aceste instalații, este denumit agent frigorific.
Pentru a putea să preia căldură de la sursa rece, agentul frigorific trebuie să aibă temperatura mai mică decât aceasta.
În timpul preluării de căldură de la sursa rece, agentul frigorific se poate comporta în două moduri diferite:
– se poate încălzi mărindu-și temperatura;
– poate să-și mențină temperatura constantă.
Cele două posibile variații de temperatură (t) a agentului de lucru, de-a lungul suprafețelor de schimb de căldură (S), sunt prezentate în Fig.VI.1.3.a și Fig.VI.1.3.b. Cu tr a fost notată temperatura sursei reci, iar săgețile reprezintă sensul transferului termic (de la sursa rece la agentul frigorific).
Fig. VI.1.3. a) Încălzirea agentului de lucru în timpul preluării de căldură; b) Absorbția de căldură de la sursa rece, cu menținerea constantă a temperaturii
Este evident că menținerea constantă a temperaturii agentului frigorific în timpul preluării de căldură, este posibilă numai în condițiile în care se produce transformarea stării de agregare și anume vaporizarea.
Dacă se efectuează un bilanț energetic pentru instalațiile frigorifice, sau pompele de căldură, respectiv dacă se aplică principiul întâi al termodinamicii, se observă că suma dintre energiile introduse în sistem, adică sarcina termică a vaporizatorului și puterea, este egală cu energia evacuată din sistem și anume sarcina termică a condensatorului.
Temperaturii la care vaporizează agentul frigorific, denumită temperatură de vaporizare, îi corespunde o presiune de saturație unică, denumită presiune de vaporizare.
Analog, temperaturii la care condensează agentul frigorific, denumită temperatură de condensare, îi corespunde o presiune de saturație unică, denumită presiune de condensare.
Ținând seama de nivelul de temperatură la care se schimbă energie între agentul frigorific și sursele de căldură, se poate reprezenta, ca în Fig.VI.1.4., o schemă a fluxurilor energetice din instalațiile frigorifice și pompele de căldură.
Fig.VI.1.4. Fluxurile de energie din instalații frigorifice și pompe de căldură
Ca o aplicație a celor prezentate anterior, se poate arăta că vaporizarea se realizează în scopul preluării de căldură de către agentul de lucru aflat inițial în stare lichidă și la sfârșit în stare de vapori, iar condensarea se realizează în scopul evacuării de căldură de către agentul de lucru aflat inițial în stare de vapori și la sfârșit în stare lichidă.
VI.1.2. Principii de realizare și funcționare a IFV
În tehnica frigului, instalațiile frigorifice cu comprimare mecanică de vapori au o largă răspândire datorită fiabilității și eficienței ridicate în exploatare.
Cu ajutorul acestor instalații se pot obține temperaturi de până la – 80°C și chiar mai scăzute.
Instalațiile frigorifice cu comprimare mecanică de vapori – IFV – folosesc ca agent de lucru un agent frigorific care, după ce este supus unor transformări succesive, este adus la o temperatură suficient de scăzută, astfel încât – prin contact cu alt corp (mediu) care trebuie răcit – să poată prelua căldura de la acesta.
Pentru realizarea acestor transformări – la care este supus agentul frigorific – se consumă lucru mecanic sau căldură.
Domeniul larg de utilizare a IFV se explică prin aceea că, agenții de lucru evoluează în domeniul vaporilor umezi, permițând astfel, realizarea proceselor izoterme prin vaporizare la preluarea căldurii de la sursa rece și prin condensare la evacuarea căldurii către mediul ambiant [25].
Avantajele utilizării acestor categorii de mașini frigorifice sunt următoarele:
dimensiuni reduse ale suprafețelor de schimb de căldură (deoarece coeficienții de schimb de căldură au valori ridicate la schimbarea stării de agregare);
cantități mici de agent de lucru (datorită valorilor ridicate ale capacităților frigorifice specifice) și, în consecință, dimensiuni reduse ale compresoarelor și conductelor;
indici economici ridicați (prin apropierea ciclului teoretic de cel al mașinii frigorifice ideale), deoarece transformările izoterme ale agentului sunt posibile doar ca transformări de fază.
VI.1.3. Semne convenționale
Semnele convenționale utilizate pentru reprezentarea instalațiilor frigorifice sunt similare celor folosite pentru instalațiile de încălzire (Cap. II), sanitare (Cap. III) și ventilare și climatizare (Cap. IV). Câteva din semnele convenționale specifice doar instalațiilor frigorifice sunt prezentate în Tab.VI.1.1.
Tab.VI.1.1. Semne convenționale specifice instalațiilor frigorifice
VI.1.4. Mărimi și unități de măsură
Principalele mărimi și unități de măsură energetice ale instalațiilor frigorifice sunt aceleași ca în cazul instalațiilor de încălzire, ventilare și climatizare.
VI.2. Domenii de utilizare a frigului artificial
VI.2.1. Frigul în industria alimentară
În toate domeniile agroalimentare tehnica frigului are un rol esențial.
Pentru specialiștii care activează în domeniile agroalimentare sunt necesare cunoștințe temeinice de frigotehnică, din cel puțin două motive:
Parametrul „temperatură” este de o importanță majoră în tehnologiile de conservare a produselor alimentare și proceselor biotehnice (practic, nu există tehnologie de conservare sau instalație de biosinteză care să nu necesite instalații de răcire și de reglare a temperaturilor);
Produsele agroalimentare, materiile prime, mediile de cultură, microorganismele etc., sunt conservate folosind temperaturi scăzute, deci cu aportul direct al frigotehnicii și prin procedee și tehnologii la baza cărora se află frigul artificial.
VI.2.1.1. Lanț frigorific
Totalitatea mijloacelor prin care frigul artificial este utilizat succesiv, în toate etapele, de la producere la consum, în vederea conservării raționale a produselor perisabile constituie așa-numitul – “lanț frigorific”.
Noțiunea de “lanț frigorific” – Fig.VI.2.1. – simbolizează legătura ce trebuie să existe între verigile care asigură prelucrarea prin frig a produselor, depozitarea acestora la temperaturi scăzute, transportul frigorific sau izoterm între unități, unități comerciale de desfacere și comerț public și mijloacele frigorifice de uz casnic [17].
Fig.VI.2.1. Lanțuri frigorifice
Rolul lanțului frigorific este esențial în asigurarea calității corespunzătoare a produselor alimentare în timpul colectării, transportului, depozitării și desfacerii acestora.
Lanțul frigorific este alcătuit din unități fixe și unități mobile:
în categoria unităților fixe sunt cuprinse: mijloacele de prelucrare și conservare prin frig existente la centrele de colectare (colectarea și răcirea laptelui, răcirea peștelui la cherhanale) unități de producție – abatoare, fabrici de bere, întreprinderi de industrializare a laptelui, antrepozite frigorifice de stocare și distribuție, unități comerciale și alimentare publice și frigiderele de uz casnic;
Toate unitățile enumerate, cu excepția celor comerciale sunt denumite frigorifere industriale sau depozite frigorifice, având caracteristici comune.
unitățile mobile ale lanțului frigorific sunt constituite din mijloacele de transport care fac legătura între verigile (unitățile) fixe;
pentru transportul pe distanțe scurte se folosesc mijloace izoterme (auto sau vagoane de cale ferată);
pentru transportul la distanțe mari se folosesc autofrigoterme, trenuri frigorifice, nave frigorifice, avioane cu compartimente frigorifice.
Aceste mijloace de transport au instalații frigorifice proprii care asigură menținerea temperaturii scăzute pe tot parcursul dintre două verigi fixe – Fig.VI.2.2.
Fig.VI.2.2. Schema lanțului frigorific pentru legume și fructe congelate (www.inma.ro)
Din punctul de vedere al nivelului de temperatură, lanțul frigorific este împărțit în două mari categorii:
lanțul frigorific al produselor refrigerate;
lanțul frigorific al produselor congelate.
VI.2.1.2. Refrigerarea
– constă în răcirea produselor alimentare până la temperaturi apropiate de punctul de congelare (ceea ce înseamnă o răcire fără formare de cristale de gheață în produs), însoțit – în majoritatea cazurilor – de transfer de umiditate de la produsele alimentare cu temperaturi mai ridicate, la mediul de răcire cu temperatură mai scăzută.
În cele mai multe cazuri, refrigerarea este aplicată în scopul conservării propriu-zise a produselor.
Refrigerarea poate fi utilizată și în scopul asigurării condițiilor optime de desfășurare a proceselor biochimice necesare fabricării unor produse alimentare (unele produse lactate, unele produse din carne etc.) sau a unor procese fizico-chimice necesare în anumite faze ale unor tehnologii alimentare.
De asemenea, refrigerarea poate constitui – o fază preliminară de răcire – în cazul tehnologiilor de congelare a produselor alimentare [18].
Refrigerarea se folosește atunci când produsele trebuie păstrate la temperaturi relativ scăzute, calitatea produselor refrigerate deosebindu-se foarte puțin de a celor proaspete.
Temperatura finală de refrigerare a produselor este, de obicei, deasupra punctului de solidificare a sucurilor, fiind situată între 0° și +5°C.
astfel, când umiditatea relativă a aerului este scăzută, refrigerarea decurge mai repede, datorită evaporării mai intense a apei;
viteza de refrigerare a produselor depinde de grosimea lor; dacă grosimea produselor scade la jumătate, și timpul de refrigerare se reduce la jumătate;
pentru refrigerarea cărnii, a fructelor și legumelor se folosește – de obicei- aerul.
La temperatura de 0°C și circulația naturală a aerului, refrigerarea porcilor (de exemplu) după tăierea lor, durează circa 36 ore; același proces, dar la – 2°C va dura 24 h.
La circulația forțată a aerului (intensă), refrigerarea se reduce la 16 h, caz în care aerul rece trecând peste suprafața produsului preia căldura acestuia, saturația aerului cu vapori scade și acesta poate absorbi o anumită cantitate de apă de la produs. Datorită acestor fenomene stratul superficial se usucă, iar pe suprafața produsului se formează așa-numita “pojghiță de uscare” care împiedică dezvoltarea microorganismelor. Totuși, la unele produse, micșorarea cantității de umezeală duce la o pierdere însemnată în greutate, iar această “uscare la refrigerare” este, uneori, vătămătoare. De aceea, în timpul refrigerării, forța aerului trebuie să fie reglată astfel încât să nu producă o uscare prea puternică și, în același timp, să nu se creeze condiții favorabile pentru dezvoltarea microorganismelor.
Cu cât temperatura de răcire este mai joasă, cu atât forța aerului poate fi mai mare, iar uscarea produselor – în acest caz – va fi mai mică[19].
VI.2.1.3. Congelarea
– constă în răcirea produselor alimentare până la o temperatură finală aflată sub punctul de solidificare a apei conținute în produs – adică o răcire cu formare de cristale de gheață în structura produsului – Fig.VI.2..3.
Fig.VI.2.3. Produse din carne supuse congelării (http://www.acasa.ro/)
Scopul principal al congelării este conservarea pe o durată mai îndelungată a produselor alimentare perisabile.
Mărirea duratei de conservare obținută prin congelare (asigurându-se și condițiile necesare depozitării în stare congelată) se bazează pe efectele temperaturilor scăzute de încetinire puternică sau inhibare completă a dezvoltării microorganismelor, de reducere sau stopare a proceselor metabolice (în cazul proceselor cu viață) și de reducere a reacțiilor chimice și biochimice.
în comparație cu produsele refrigerate, produsele congelate se caracterizează printr-o durată mai mare de conservare (5…50 ori față de conservarea prin refrigerare), datorită faptului că apa se transformă în gheață, iar acțiunea unor temperaturi mai joase împiedică activitatea microorganismelor;
ca aspect, produsele sunt tari și viu colorate;
Prin înghețarea sucurilor conținute în celulele țesuturilor animale și vegetale se pot produce procese complicate care provoacă în structurile respective modificări fizico-chimice ireversibile.
VI.2.2. Frigul în construcții
construcția patinoarelor artificiale (Fig.VI.2.4);
construcția puțurilor, tunelurilor, galeriilor în terenuri cu infiltrații de apă;
răcirea masivelor de beton, fie prin prerăcirea elementelor componente, fie prin răcirea masivului ca atare.
Fig.VI.2.4. Utilizarea frigului pentru răcirea unui patinoar (www.instalatii-patinoare.ro; http://danielurda.ro/brasov)
VI.2.2.1. Frigul pentru condiționare
Instalațiile de condiționare (climatizare) au rolul de a menține o anumită stare a aerului (temperatură și umiditate), un anumit grad de puritate precum și o anumită viteză a acestuia în diverse încăperi, în care staționează oameni sau au loc procese tehnologice, independent de condițiile exterioare.
VI.2.3. Frigul în cercetarea științifică
pentru anabioză (anabioza este o stare a organismului la care procesele vieții sunt atât de mult încetinite încât nu se mai observă manifestări ale vieții; un organ se aduce în această stare prin răcire treptată, până la temperaturi situate mult sub 0°C);
studiul rezistenței diferitelor materiale la temperaturi scăzute;
studiul funcționării motoarelor de automobil;
tehnica rachetelor (se folosește O2, N2 – în stare lichidă);
menținerea supraconductoarelor (utilizate în instalațiile electrice) la temperaturi joase;
instalații de comunicare la distanță prin sateliți.
VI.2.4. Alte domenii de utilizare a frigului artificial
VI.2.4.1. Frigul în industria chimică
Industria chimică reprezintă unul dintre cei mai mari utilizatori ai frigului artificial.
Frigul este folosit în procese tehnologice precum:
separarea unor săruri în soluții lichide;
lichefierea gazelor (aer, azot, oxigen, hidrogen, heliu, etc.);
cristalizarea unor săruri;
fabricarea parafinei, a cauciucului, a fibrelor sintetice;
rafinarea uleiurilor;
evacuarea căldurii de reacție și a căldurii de amestec etc.
Fig.VI.2.5. Frigul în industria chimică (www.continentalcarbonic.com)
VI.2.4.2. Frigul în industria farmaceutică
Se folosește în tehnologiile de fabricare a diferitelor medicamente.
Majoritatea antibioticelor sunt conservate prin liofilizare, congelarea necesară în procesul de uscare realizându-se la temperaturi de –50°C…–60°C (de exemplu, extragerea penicilinei din soluții are loc la temperatura de 1°C, iar congelarea soluțiilor concentrate de penicilină are loc la circa –60°C).
VI.2.4.3. Frigul în industria ușoară
mercerizarea fibrelor textile, prelucrarea cauciucului etc.
VI.2.4.4. Frigul în siderurgie
la fabricarea oțelului (t = –70°C);
în diverse tratamente termice.
VI.2.4.5. Frigul în biologie și medicină
conservarea prin frig a țesuturilor vii și a culturilor de microorganisme;
anestezii în operații chirurgicale complicate, cum ar fi intervențiile pe cord deschis;
tehnici frigorifice în unele boli ale pielii (crioterapia);
tehnici chirurgicale de vârf (criochirurgia).
Fig.VI.2.6. Frigul în biologie și medicină (www.unica.ro)
VI.3. Procese de producere a frigului artificial
VI.3.1. Noțiuni de bază privind producerea frigului artificial
Obținerea frigului pe cale artificială prezintă avantaje în raport cu frigul natural și anume:
posibilitatea de răcire a corpurilor până la temperaturi mult mai scăzute decât cele ale mediului ambiant;
continuitatea proceselor de răcire;
posibilitatea obținerii frigului în oricare perioadă a anului, indiferent de condițiile climatice.
Conform principiului II al termodinamicii, trecerea căldurii, în mod natural, deci fără consum de energie din exterior, are loc numai de la corpurile (mediile) cu temperatură mai ridicată către corpurile (mediile) cu temperatură mai scăzută.
Trecerea căldurii în sens invers este un proces care se poate realiza doar pe baza unui consum de energie din exterior, sub diferite forme: mecanică, termică, cinetică, electrică, etc.
Funcționarea acestei mașini presupune existența și interacțiunea a trei elemente:
corpul cald – care, de cele mai multe ori, este mediul ambiant;
corpul rece – care este mediul sau corpul a cărui temperatură trebuie coborâtă sau menținută sub temperatura mediului ambiant;
corpul de lucru sau agentul frigorific – care, circulând prin sistemul frigorific, suferă transformări în urma cărora căldura este transferată în sens invers tendinței naturale.
Mașina frigorifică- funcționează între două surse de căldură:
sursa rece de la care se extrage căldura – mediul răcit;
sursă caldă căreia i se cedează căldura – mediul de răcire (care poate fi, de exemplu, apa de răcire sau aerul).
Agentul frigorific – gaz sau vapori, parcurge circuitul mașinii frigorifice, preluând continuu căldura de la mediul răcit, pentru a o ceda mediului de răcire.
Acest proces este posibil doar dacă agentul frigorific se află, la intrarea în contact cu mediul răcit, la o temperatura mai joasă decât a acestuia, iar la intrarea în contact cu mediul răcitor (apa sau aerul din mediu ambiant), la o temperatură mai înaltă decât a acestuia.
Ridicarea temperaturii agentului frigorific după ieșirea din spațiul (mediul) răcit la o valoare superioară temperaturii mediului de răcire, se realizează prin consum de energie din exterior, energie care se încorporează în masa agentului frigorific sub formă de energie internă (de exemplu, procesul de comprimare a agentului frigorific în compresor, în cazul instalațiilor frigorifice cu compresie mecanică de vapori).
Readucerea agentului – după părăsirea mediului de răcire la o temperatură mai joasă decât a mediului răcit – se realizează, de regulă, printr-un proces de destindere.
Procesul de destindere a agentului frigorific în stare lichidă, trebuie să coboare presiunea acestuia sub valoarea presiunii de saturație corespunzătoare temperaturii scăzute ce se urmărește a se obține în mediul răcit.
Astfel, mediului răcitor, respectiv mediului ambiant sau apei de răcire, i se transmite nu doar căldura preluată de la mediul răcit ci și căldura echivalentă cu energia consumată pentru ridicarea temperaturii. În Fig.VI.3.1. este redată schema de principiu a unei mașini frigorifice cu indicarea fluxurilor energetice [3].
Fig.VI.3.1. Schema de principiu a unei instalații frigorifice
Qo – căldura preluată de la mediul răcit [W]; L – căldura provenită din consumul de energie mecanică sau termică necesară ridicării temperaturii [W]; Qc – căldura totală cedată mediului înconjurător [W].
VI.3.2. Metode de producere a frigului artificial
Scăderea temperaturii și menținerea ei la o anumită valoare – mai coborâtă decât temperatura mediului ambiant – impune realizarea schimbului de căldură de la mediul cu temperatură mai scăzută către mediul cu temperatură mai ridicată.
În acest proces de producere a frigului trebuie să se aibă în vedere principiul II al termodinamicii, conform căruia pentru a transporta căldura de la un mediu cu temperatură scăzută către un mediu cu temperatură ridicată trebuie să se consume, din exterior, o anumită formă de “lucru” (lucru mecanic, lucru termic, electric, etc.).
În funcție de natura “lucrului” și specificul procesului, metodele de producere a frigului pot fi clasificate astfel:
Metodele termodinamice (de răcire) – se bazează pe valorile interne ale unui fluid numit agent frigorific cu scopul de a coborî temperatura sub cea a mediului ambiant (excepție fac pompele de căldură care lucrează la temperaturi mai mari decât temperatura mediului ambiant);
Metodele termoelectrice;
Metodele magneto-calorice.
Obținerea frigului industrial se bazează, în special, pe metode termodinamice. În domeniul frigului adânc se folosesc atât metode termoelectrice, cât și metode magneto-calorice[2].
VI.3.2.1. Metode termodinamice de obținere a frigului cu agent frigorific
În circuit deschis:
prin evaporarea unor lichide la presiune atmosferică (în special apa);
prin vaporizarea unor lichide la saturație la presiune atmosferică (agenți criogenici);
prin utilizarea soluțiilor eutectice și a amestecurilor refrigerente;
prin utilizarea gheții de apă (hidrice);
prin utilizarea gheții uscate (bioxid de carbon solid);
prin destindere turbionară de gaze în tuburi Vortex-Ranque (efect Ranque-Hilsch);
prin destindere de gaze în tuburi pulsatoare (efect Gifford-Longworth);
În circuit închis (ciclice):
Cu vapori:
cu comprimare mecanică de vapori în compresoare mecanice (instalații frigorifice cu compresie mecanică – IFV);
cu comprimare de vapori în compresor termic (instalații frigorifice cu ejecție de vapori reci – IFE);
cu comprimare de vapori în compresor termochimic (instalații frigorifice cu absorbție – IFA).
Cu gaze
cu comprimarea mecanică a unui gaz și destinderea lui izentropică într-un sistem detentor;
cu comprimarea mecanică a unui gaz și destinderea lui izentalpică într-un organ de laminare;
cu comprimarea mecanică a unui gaz și destinderea într-un câmp centrifugal.
VI.3.2.2. Metode de obținere a frigului fără agent frigorific
Procedee termoelectrice: – Efectul electrotermic de răcire (efect Peltier).
Procedee magnetice: – Efectul magneto-caloric:
Prin efect termo-magnetic (Ettinghausen);
Prin efect magneto-caloric (demagnetizare adiabatică).
VI.3.3. Frigul produs prin vaporizarea unui lichid
Instalațiile frigorifice, în marea lor majoritate, produc frigul prin vaporizarea unui fluid.
Se au în vedere următoarele două aspecte:
orice fluid, în timpul fierberii, pentru a se transforma în vapori, absoarbe o anumită cantitate de căldură, q0 – Fig.VI.3.2. [14].
temperatura de fierbere – sau temperatura de saturație ts – este dependentă de presiunea la care se află fluidul.
Pentru apă:
p = 1 ata → ts = 100 șC
p' = 10 ata → ts' = 180 șC
p" = 0,006 ata → ts" = 0 șC
p"' = 0,0029 ata → ts"' = – 10 șC
Dacă printr-un spațiu izolat termic, de exemplu – vasul V – trece o serpentină S, prin care circulă apă la presiunea p și temperatura ts, apa, pentru a fierbe și a se transforma în vapori, are nevoie de o anumită cantitate de căldură q0, corespunzătoare căldurii de vaporizare – Fig.VI.3.2.
Dacă în locul apei s-ar folosi amoniacul – NH3, s-ar putea obține temperaturi mult mai scăzute [14].
De exemplu la:
p = 1 ata → NH3 fierbe la ts = – 33,35 șC
Rezultă că, în cazul folosirii amoniacului – NH3, temperatura în vas ar putea scădea până la valoarea:
t0 = ts = –33,35 șC
Fig.VI.3.2. Frigul q0 produs prin vaporizarea unui fluid
Din cele prezentate mai sus, se evidențiază câteva concluzii importante [13]:
se poate scădea temperatura unui corp (mediu) prin extragerea unei cantități de căldură – q0 de la corpul (mediul) respectiv;
frigul realizat, respectiv temperatura cea mai coborâtă pe care vrem s-o obținem, depinde de temperatura de saturație ts a fluidului care preia cantitatea de căldură – q0;
pentru realizarea unei temperaturi cât mai scăzute este necesară micșorarea presiunii fluidului în stare de saturație sau, folosirea unor fluide cu temperaturi de saturație mai mici;
fluidul care preia căldura –q0 de la sursa rece se numește agent frigorific (apă, NH3);
cantitatea de căldură – q0 care se preia de la sursa rece depinde atât de regimul de funcționare al mașinii frigorifice, cât și de proprietățile fluidului (respectiv căldura de vaporizare).
Cu cât, un fluid va avea căldura de vaporizare – r, mai mare, cu atât va fi mai mare și cantitatea de căldura – q0 care poate fi extrasă de la sursa rece.
Pentru a putea prelua căldura de la sursa rece, agentul frigorific trebuie să aibă temperatura mai mică decât aceasta.
În timpul preluării căldurii de la sursa rece, agentul frigorific se poate comporta în două moduri:
își poate mări temperatura prin încălzire;
poate să-și păstreze temperatura constantă (menținerea constantă a temperaturii agentului frigorific în timpul preluării căldurii este posibilă numai în condițiile în care se produce și modificarea stării de agregare – și anume – vaporizarea) [1].
Pentru a putea ceda căldura sursei calde, agentul frigorific trebuie să aibă temperatura mai mare decât temperatura aceasteia.
În timpul cedării căldurii către sursa caldă, agentul frigorific se poate comporta, de asemenea, în două moduri:
se poate răci micșorându-și temperatura;
poate să-și păstreze temperatura constantă (este evident că, menținerea constantă a temperaturii agentului frigorific în timpul cedării căldurii este posibilă numai în condițiile în care se produce modificarea stării de agregare – și anume – condensarea) [1].
Având în vedere argumentele enunumerate, pentru majoritatea instalațiilor frigorifice, este de preferat transferul termic între agentul de lucru și sursele de căldură, prin schimbarea stării de agregare.
Aparatele instalației frigorifice care se află în contact cu sursele de căldură sunt, schimbătoare de căldură numite, vaporizator – V și condensator – C.
Din punctul de vedere al instalațiilor frigorifice, efectul util este realizat în vaporizatorul V, prin preluare de căldură de la sursa rece.
VI.3.4. Procese termodinamice în circuit deschis
VI.3.4.1. Obținerea temperaturilor scăzute prin evaporarea apei
Răcirea prin evaporarea unui lichid presupune răcirea acestuia, în urma schimbului de căldură și masă care are loc la contactul direct între suprafața lichidului și aerul atmosferic. În acest caz, coborârea temperaturii lichidului se produce prin cedarea căldurii prin contact și prin evaporarea lichidului.
Răcirea prin evaporare se poate realiza:
prin amestecarea aerului cu un curent de apă pulverizată (procedeu de răcire folosit uneori în condiționarea aerului).
În acest caz, efectul de răcire se obține în urma pulverizării apei în aer; prin evaporare, aceasta absoarbe, de la aer, căldura latentă de vaporizare (cantitatea de căldură necesară pentru a transforma 1 kg de lichid la o presiune dată și temperatură constantă în vapori uscați) egală cu 597 kcal/kg (2495 kJ/kg).
Temperatura finală (în aer) care se poate obține depinde de caracteristicile acestuia (temperatură inițială, umiditate relativă etc.).
trimiterea unui curent de aer peste suprafața unui lichid (în general, apă)
Acest procedeu constituie – de fapt – baza funcționării turnurilor de răcire (care au o mare răspândire în industrie).
Răcirea apei în turnurile de răcire se realizează ca urmare a schimbului de căldură și masă dintre apă și aerul exterior cu care aceasta vine în contact.
Scăderea temperaturii apei este determinată de următoarele fenomene:
cedarea căldurii sensibile ca urmare a diferenței de temperatură dintre apă și aer;
evaporare;
radiație.
Contribuția fiecăruia din fenomene depinde de proprietățile fizice și parametrii lichidului precum și de cei ai aerului.
Rolul preponderent în răcirea apei în decursul celei mai mari părți din cadrul unui an îl joacă evaporarea; se apreciază că, aceasta contribuie în proporție de 80…90% la preluarea căldurii în perioada de vară.
Căldura sensibilă are un rol preponderent în perioadele friguroase și umede când valoarea acesteia este de circa 50…70% din căldura totală cedată de apă.
Radiația, în general, se neglijează.
VI.4. Structura sistemelor frigorifice
Fig.VI.4.1. Sistem frigorific (http://www.frigus.ro)
VI.4.1. Părțile componente ale instalațiilor frigorifice
Ținând cont că presiunea de condensare are o valoare mai ridicată decât cea de vaporizare (pk>p0), în acest tip de instalații se consumă energie pentru creșterea presiunii vaporilor furnizați de vaporizator (unde s-au format preluând căldură de la sursa rece, până la presiunea din condensator (unde vor ceda căldură sursei calde).
Acest proces se poate realiza într-o mașină denumită compresor, având tocmai rolul de a comprima vapori sau gaze cu ajutorul unui consum de energie mecanică.
Există și alte soluții tehnice pentru realizarea comprimării vaporilor în instalații frigorifice sau pompe de căldură, utilizând însă energie termică în locul celei mecanice.
Dacă vaporizatorul și condensatorul sunt schimbătoare de căldură și prezintă o suprafață de transfer termic pentru asigurarea interfeței dintre agentul frigorific și sursele de căldură, compresorul este o mașină mai complexă din punct de vedere constructiv, cu piston în interiorul unui cilindru, cu șurub, cu lamele culisante într-un rotor montat excentric față de stator, sau având alte construcții.
În toate aceste situații, comprimarea se realizează prin micșorarea volumului agentului de lucru antrenat. Există și turbocompresoare, acestea având funcționarea bazată pe legile gazodinamicii. Puterea necesară din exterior, pentru desfășurarea procesului fiind numită putere de comprimare, Pc [kW].
După comprimare, vaporii de agent frigorific cedează căldură în condensator, sursei reci și așa cum s-a arătat condensează, la valoarea pk a presiunii, deci la sfârșitul procesului părăsesc aparatul schimbător de căldură în stare lichidă. Condensul, pentru a reveni în vaporizator trebuie să-și micșoreze presiunea până la valoarea p0.
Din punct de vedere energetic, destinderea se realizează cel mai eficient într-o mașină numită detentor. Aceasta are avantajul că produce energie mecanică, respectiv putere, capabilă să compenseze o parte din consumul necesar pentru antrenarea compresorului.
Din punct de vedere constructiv, detentorul este fie o mașină cu piston într-un cilindru, fie una de tip rotativ, cu circulația radială sau axială a agentului frigorific. Indiferent de construcție, agentul de lucru cedează pistonului sau rotorului o parte din energia sa potențială de presiune și astfel se destinde până la presiunea de vaporizare. Puterea furnizată în timpul destinderii, numită putere de destindere, se notează cu Pd [kW].
Agentul frigorific în stare lichidă, intră în vaporizator, unde absoarbe căldură de la sursa rece, vaporizează și apoi pătrunde în compresor, iar în continuare funcționarea instalației se realizează prin parcurgerea în continuare a celor patru aparate. Procesele de lucru care se desfășoară în acestea, respectiv vaporizare, comprimare, condensare și destindere, alcătuiesc împreună ciclul termodinamic inversat, după care funcționează instalațiile frigorifice și pompele de căldură.
În consecință, instalațiile frigorifice și pompele de căldură au în componență cel puțin patru elemente componente: vaporizator (V), compresor (C), condensator (K) și detentor (D), iar cea mai simplă schemă constructivă a instalațiilor de acest tip este reprezentată în Fig.VI.4.2.
Fig.VI.4.2. Elemente componente ale instalațiilor frigorifice
V – vaporizator; K – compresor; C – condensator; D – detentor.
De cele mai multe ori, sursa rece, sau mediul răcit de vaporizator, este reprezentată de aerul din jurul acestui schimbător de căldură, de apă, sau de alte lichide, denumite generic agenți intermediari. Practic agentul frigorific vaporizează absorbind căldură de la aceste substanțe.
Pentru condensator, sursa caldă, sau mediul încălzit, este reprezentat de aerul din mediul ambiant, de apă, sau simultan de apă și aer. Acestea, prin suprafața de schimb de căldură, preiau de la agentul frigorific toată căldura latentă de condensare. În practică, de multe ori se spune că apa sau aerul sunt agenții de răcire ai condensatoarelor.
Atât pentru vaporizator cât și pentru condensator, există numeroase tipuri și variante constructive, care vor fi studiate ulterior.
Schema cea mai simplă a unui instalații frigorifice cu vapori conține patru elemente principale:
Compresorul – K
Condensatorul – C;
Ventilul de laminare (reglaj) – VL;
Vaporizatorul – V.
Ansamblul de agregate și aparate, dispozitive, conducte și armături, montate împreună, prin intermediul cărora care se realizează schimbul de lucru mecanic și căldură între agentul frigorific și mediile aflate la două nivele de temperatură diferită, constituie „instalația cu comprimare mecanică de vapori” sau “instalația cu vapori reci”.
În – Fig.VI.4.3. – este prezentată schema de principiu a unei mașimi frigorifice cu compresie mecanică de vapori – IFV, cu indicarea stării fizice a agentului frigorific [3].
Fig.VI.4.3. Schema de principiu a unei mașini frigorifice cu indicarea stării fizice a agentului frigorific
VI.4.2. Vaporizatorul (V)
– schimbătorul de căldură la sursa rece – Fig.VI.4.4. – este aparatul în care agentul frigorific aflat la p0 (adică presiunea de saturație corespunzător temperaturii t0), vaporizează prin schimb de căldură q0, cu mediul exterior, într-un spațiu izolat termic, în care trebuie păstrată temperatura 0 (sau trebuie creată) 0 < ma (ma – temperatura mediului ambiant).
Schimbul de căldură (care se referă, în acest caz, la evacuarea de căldurii din spațiul frigorific) se impune din două motive:
în cazul în care în spațiul frigorific, izolat termic, temperatura 0 poate fi atinsă, aceasta nu poate rămâne constantă decât prin evacuarea continuă a căldurii din mediul răcit spre exterior (atât datorită proceselor care au loc în aceste spații, cât și datorită imperfecțiunii izolației termice).
în cazul în care în spațiul izolat termic trebuie realizată o temperatură 0 < ma – evacuarea de căldură se impune și mai mult – în primul rând, pentru micșorarea energiei interne a mediului, iar apoi pentru păstrarea temperaturii scăzute dorite.
Fig.VI.4.4. Schema de principiu pentru vaporizatorul V al unei mașini frigorifice cu comprimare mecanică de vapori – IFV
1 – intrare agent frigorific în stare lichidă; 2 – vaporizarea integrală a agentului frigorific; 3 – ieșire agent frigorific în stare de vapori.
VI.4.3. Condensatorul (C)
– schimbătorul de căldură la sursa caldă Fig.VI.4.5. – este aparatul în care agentul frigorific sub formă de vapori condensează prin schimb de căldură qc cu mediul ambiant.
La trecerea prin condensatorul C, vaporii de agent frigorific de înaltă presiune cedează căldura de supraîncălzire sursei calde (căldura este preluată în cazurile cele mai frecvente de către apă sau aer).
Fig.VI.4.5. Schema de principiu pentru condensatorul C al unei mașini frigorifice cu comprimare mecanică de vapori – IFV
1 – de la compresor; 5 – către detentor; 2 –agent frigorific în stare de vapori; 3 – condensarea vaporilor de agent frigorific; 4 – condensarea integrală a agentului frigorific
VI.4.4. Compresorul (K)
– este o mașină mai complexă din punct de vedere constructiv – Fig.VI.4.6. – cu piston (în interiorul unui cilindru), cu șurub, cu lamele culisante într-un rotor montat excentric față de stator, sau având alte construcții – capabil să introducă lucru mecanic în sistem; în compresor are loc procesul de comprimare a vaporilor (cu schimb de lucru mecanic cu exteriorul), proces care determină creșterea temperaturii și presiunii (de la valorile corespunzătoare vaporizării – p0, t0, la cele corespunzătoare procesului de condensare – pc, tc).
a) Ermetic b) Semiermetic c) Deschis
Fig.VI.4.6. Difertite tipuri de compresoare mecanice cu piston utilizate în instalțiile frigorifice cu comprimare mecanică de vapori – IFV
VI.4.5. Ventilul de laminare (VL)
– un dispozitiv în care are loc procesul de laminare Fig.VI.4.7., proces în urma căruia are loc scăderea presiunii și temperaturii – de la valorile corespunzătoare condensării – pc, tc, la cele corespunzătoare procesului de vaporizare – p0, t0.
Fig.VI.4.7. Ventilul de laminare (VL) al unei mașini frigorifice cu comprimare mecanică de vapori – IFV
Din punctul de vedere al modului de răcire, instalațiile frigorifice pot fi cu:
răcire directă;
răcire indirectă.
Instalațiile cu răcire directă au generatorul de frig – vaporizatorul V– amplasat în mediul ce urmează a fi răcit, vaporizarea agentului frigorific făcându-se direct la locul de consum – Fig.VI.4.8.- Schemă simplificată și Fig.VI.4.9. – Schema de lucru.
Fig.VI.4.8. Schema simplificată a instalației frigorifice cu comprimare mecanică de vapori IFV, cu răcire directă
Fig.VI.4.9. Schema de lucru a instalației frigorifice cu comprimare mecanică de vapori, cu răcire directă
– vapori de înaltă presiune; – vapori de joasă presiune; – lichid de înaltă presiune;
– lichid de joasă presiune.
În cazul instalațiilor frigorifice cu răcire indirectă, vaporizatorul V se află în sala mașinilor, deci vaporizatorul nu este amplasat direct la consumatorul de frig, iar răcirea spațiului respectiv se realizează cu un agent intermediar care este vehiculat prin intermediul pompelor Fig.VI.4.10.
Fig.VI.4.10. Schema instalației frigorifice cu comprimare mecanică de vapori, cu răcire indirectă
V – vaporizator, SL – separator de lichid, K – compresor, SU – separator de ulei, C – condensator, RL – rezervor de lichid, SR – subrăcitor, F – filtru, S1 – stație de distribuție a agentului frigorific din circuitul principal, VRF – ventilul de reglaj cu flotor de joasă presiune, VRM – ventilul de reglaj manual, BR – bazin de răcire, P – pompă pentru vehicularea agentului intermediar, S2 – stația de distribuție a agentului intermediar din circuitul secundar, A – agitator, CS – consumator de frig.
Folosirea acestei instalații conduce la preluarea căldurii de la agentul intermediar. Pentru realizarea acestui proces, se utilizează un agent frigorific care, în urma preluării căldurii, vaporizează.
Vaporii formați în vaporizatorul V sunt aspirați de compresorul K prin intermediul separatorului de lichid SL și sunt comprimați până la presiunea de condensare. Vaporii refulați de compresor se separă de uleiul antrenat în separatorul de ulei SU și pătrund în condensatroul C unde se răcesc și apoi condensează, cedând căldura mediului de răcire (apa, în acest caz).
Condensul rezultat se acumulează în rezervorul de lichid RL, trece apoi în subrăcitorul SR, este filtrat în filtrul de lichid F, alimentează stația de distribuție a agentului frigorific S1, și ajunge apoi în separatorul de lichid SL, fie prin ventilul de reglaj manual VRM, fie prin ventilul de reglaj cu flotor de joasă presiune VRF.
Din SL agentul lichid alimentează prin gravitație vaporizatorul V, iar vaporii formați prin preluarea căldurii de la agentul intermediar sunt aspirați de compresorul K, trecuți din nou prin SL iar, în final, ciclul se închide. Vaporizatorul este imersat în agentul intermediar aflat într-un bazin de răcire BR. Acest agent de răcire intermediar (care poate fi o saramură), după răcire, este trimis de către pompa P, în stația de distribuție a agentului intermediar S2 și, apoi la consumatorul de frig CS. Agentul intermediar, după preluarea căldurii de la consumatorul de frig CS, se reîntoarce în bazinul de răcire BR, iar pentru uniformizarea temperaturii în cadrul bazinului, se folosește agitatorul A.
Observații:
La instalațiile de puteri mici, atât rezervorul de lichid RL cât și subrăcitorul de lichid SR pot lipsi, rolul acestora fiind preluat de condensatorul C, prin dimensionarea corespunzătoare a acestuia;
Presiunea de refulare a compresorului K depinde de temperatura mediului de răcire a condensatorului C (dacă temperatura mediului de răcire este scăzută și presiunea de refulare va fi scăzută și invers);
Separarea uleiului de vaporii de agent frigorific în separatorul de ulei SU, evită murdărirea suprafețelor de schimb de căldură, contribuind astfel la recuperarea uleiului și la securitatea în funcționare a compresorului K;
Introducerea subrăcirii este motivată din considerente tehnico-economice (răcirea agentului frigorific lichid în SR se realizează până la o valoare a temperaturii inferioare temperaturii corespunzătoare presiunii la care se află lichidul);
În ventilul de reglaj VR, se reduce presiunea și temperatura agentului frigorific lichid până la valorile necesare procesului din vaporizatorul V;
Separatorul de lichid SL, facilitează alimentarea compresorului K cu vapori uscați;
Pentru creșterea eficienței în funcționare, în instalație mai pot fi montate și alte aparate auxiliare (deshidratorul, dezaeratrul etc.) [3].
VI.5. Criterii generale de clasificare, alcătuire și realizare a instalațiilor frigorifice
VI.5.1. Clasificarea instalațiilor frigorifice și a metodelor de producere a frigului artificial
VI.5.1.1. Domenii de temperaturi în tehnica frigului artificial
Tehnica frigului analizează fenomene și procese care au loc între circa 100 °C – 0 K (–273 °C), stabilește procedee de calcul și soluții constructive pentru realizarea unei game de mașini și instalații care lucrează într-un domeniu larg de temperaturi.
În funcție de nivelul temperaturilor scăzute obținute, sistemele frigorifice pot fi clasificate, în mod convențional, în următoarele domenii:
Domeniul pompelor de căldură t > 40 °C – este acoperit prin pompele de căldură – mașini termice cu ajutorul cărora se valorifică fluxul de căldură schimbat la sursa cu temperatură ridicată a procesului de producere a frigului; căldura este, deci evacuată la valori superioare temperaturii mediului înconjurător fiind utilizată, de regulă, pentru obținerea energiei termice;
Domeniul climatizării t = (0 …-40) °C – este acoperit de instalațiile de climatizare, fiind utilizat în scopuri tehnologice sau de confort;
Domeniul frigului moderat t = (0 …–200) °C – denumit și frig industrial – este acoperit în cea mai mare parte de procese de producere a frigului prin comprimare de vapori sau cu utilizarea absorbției în soluții binare, prin instalații cu ejecție de abur și, mai rar, prin instalații de comprimare de aer;
Domeniul frigului adânc (criogenia) t = (–200…-273) °C – care acoperă zona temperaturilor foarte scăzute, ajungând până aproape de zero absolut (se lucrează cu hidrogen, neon și heliu lichid).
Limita superioară de la care se consideră că începe domeniul criogeniei nu este definită foarte clar, unii autori consideră această limită ca fiind:
77 K = –196 °C – temperatura de fierbere a azotului;
80 K = –193 °C – temperatura de fierbere a aerului;
120 K = –153 °C – temperatura de fierbere a metanului.
VI.5.2. Clasificarea instalațiilor frigorifice cu comprimare mecanică de vapori – IFV
După numărul treptelor de comprimare aceste instalații pot fi:
cu comprimare într-o treaptă utilizate pentru obținerea de temperaturi de până la (– 20…– 30) °C; pentru obținerea unor temperaturi mai joase se recurge la perfecționarea ciclului (utilizând un schimbător de căldură regenerativ), îmbunătățirea construcției compresoarelor (prin reducerea spațiului vătămător), utilizarea unor agenți frigorifici cu caracteristici superioare etc.
cu comprimare în două trepte (– 30…– 60 °C);
cu comprimare în trei trepte (– 60…– 90 °C);
în cascadă, instalații la care treptele sunt parcurse de agenții frigorifici diferiți.
VI.5.3. Soluții și scheme generale ale instalațiilor frigorifice
Soluții constructive și scheme ale instalațiilor frigorifice. Frigiderul reprezintă cea mai simplă mașină frigorifică, Fig.VI.5.1.
Fig.VI.5.1. Cea mai simplă mașină frigorifică – frigiderul (www.rasfoiesc.com)
1 – compresor; 2 – vaporizator; 3 – condensator; 4 – aer rece; 5 – aer cald.
Fig.VI.5.2. Instalație frigorifică cu comprimare mecanică de vapori
1 – compresor; 2 – condensator; 3 – ventil de laminare; 4 – vaporizator.
Qo – căldura preluată de la mediul răcit [W]; P – căldura provenită din consumul de energie mecanică sau termică necesară ridicării temperaturii [W]; Qc – căldura totală cedată mediului înconjurător [W]
Schema prezentată în Fig.VI.5.2. este expusă mai eficient în Fig.VI.5.3., unde este prezentat de asemenea și ciclul de funcționare.
Fig.VI.5.3. Schema instalației frigorifice cu răcire indirectă folosind pulverizarea apei:
1 – cameră de pulverizare, 2 – separator de picături, 3 – baterie de reîncălzire, 4 – robinet cu trei căi, Vt – ventilator, V – vaporizator, VR – ventil de reglaj, K – compresor, C – condensator
VI.6. Agenți frigorifici
VI.6.1. Clasificarea agenților frigorifici
Agenții frigorifici sunt substanțe vehiculate prin instalațiile frigorifice, care reprezintă suportul material ce preia căldura de la incinta în care se realizează răcirea și o cedează fie mediului ambiant, fie unei alte instalații cu temperaturi mai ridicate.
Acești agenți de lucru ai instalațiilor frigorifice reprezintă substanțe omogene sau amestecuri de substanțe ale căror proprietăți termodinamice trebuie să corespundă atât cerințelor impuse de schema și tipul instalației frigorifice cât și de nivelul de temperatură al celor două surse de căldură [6].
Agenții de lucru ai instalațiilor frigorifice se grupează în următoarele categorii:
agenți frigorifici cu temperatură coborâtă de vaporizare la presiune atmosferică normală, utilizați în instalațiile frigorifice cu comprimare mecanică de vapori (IFV);
soluții ale diferitelor substanțe, utilizate în instalațiile cu absorbție (IFA);
apa utilizată în instalațiile cu ejecție (IFE);
aerul, precum și alte gaze având temperaturi joase de vaporizare, utilizate în instalațiile frigorifice cu comprimare de gaze în câmp centrifugal, precum și în instalațiile de lichefiere și separare a gazelor.
Agenții utilizați în instalațiile frigorifice, permit obținerea unei plaje foarte largi de temperaturi, de la –20 °C până la –100 °C, sau chiar mai scăzute în anumite cazuri particulare.
Evident, aceste temperaturi nu pot să fie realizate cu un același agent frigorific, pentru fiecare domeniu de temperaturi existând anumiți agenți frigorifici specifici recomandați.
Clasificarea agenților frigorifici după modul in care sunt obținuți, după puritate și după valorile potențialului de distrugere a stratului de ozon (ODP) și/sau ale potențialului de încălzire a atmosferei – efectul de seră (GWP) este prezentată în Tab.VI.6.1.
Tab.VI.6.1. Tipuri de agenți frigorifici
VI.6.1.1. Agenți frigorifici utilizați în instalațiile cu compresie mecanică de vapori
VI.6.1.1.a. Criterii obiective de alegere a agenților frigorifici pentru instalațiile cu compresie mecanică de vapori
Alegerea și utilizarea unui agent într-o instalație frigorifică cu compresie mecanică de vapori IFV are la bază o analiză detaliată care are în vedere câteva criterii importante, și anume:
Termodinamice și de transfer de căldură;
Tehnice;
Tehnologice;
Economice;
De securitate (de siguranță a funcționării instalației);
Ecologice (de protecție a mediului).
Criterii termodinamice și de transfer de căldură
Cerințele termodinamice sunt legate – în special – de condiția de funcționare a instalației frigorifice cu comprimare mecanică de vapori – IFV.
Temperatura de vaporizare – T0 [°C] și temperatura de condensare – Tc [°C] – trebuie să fie cuprinse în zona bifazică (lichid + vapori), adică între punctul triplu (unde coexistă cele trei stări de agregare) și punctul critic K (intersecția dintre izoterma critică și curba de saturație; deasupra punctului critic K este gaz, iar substanța aflată în această zonă nu s-ar mai putea transforma din vapori în lichid). Astfel, pentru a putea avea o aplicabilitate cât mai largă, agentul frigorific trebuie să fie utilizat pentru un domeniu de temperaturi cât mai extins (adică, punctul triplu și punctul critic să fie cât mai distanțate);
Temperatura de vaporizare – T0 [°C] – trebuie să fie cât mai coborâtă, dar presiunea de saturație corespunzătoare să fie ușor superioară presiunii atmosferice (în acest mod se poate evita apariția vacuumului în instalație și, implicit, infiltrațiile de aer);
Temperatura de refulare a vaporilor din compresor – T2 [°C] – trebuie să fie cât mai redusă, pentru a se realiza o bună stabilitate a agentului frigorific și a uleiului de ungere, în scopul unei utilizări îndelungate a compresorului (indicele comprimării adiabatice trebuie să fie cât mai mic); în caz contrar, uleiul se va descompune formând reziduuri;
Presiunea de saturație corespunzătoare temperaturii de condensare – pc [bar] – trebuie să aibă o valoare cât mai redusă (asociată temperaturii mediului ambiant), pentru o siguranță cât mai sporită a instalației, o etanșare cât mai ușor de realizat (în scopul limitării pierderilor de agent frigorific), o reducere a dimensiunilor compresorului și pentru obținerea unei eficiențe frigorifice cât mai ridicate; pc este limitată la 15…25 bar din rațiuni constructive pentru instalație (atunci când presiunea are valori mici, se reduce numărul treptelor de comprimare, pereții conductelor prin care se vehiculează agentul frigorific nu sunt prea groși și nu se impun etanșări suplimentare);
Presiunea de vaporizare po [bar] – trebuie să fie superioară presiunii atmosferice (po > patm), dar apropiată de aceasta ca valoare, în scopul evitării infiltrațiilor de aer în vaporizator (odată cu aerul, în instalație poate pătrunde și umezeală – vapori de apă care intensifică procesul de coroziune). Așadar, un agent frigorific trebuie să aibă temperaturi de vaporizare cât mai scăzute la presiuni de vaporizare ușor superioare presiunii atmosferice;
Raportul de comprimare teoretic H (adică raportul dintre presiunea de condensare și presiunea de vaporizare) să fie cât mai mic:
H = pc / p0
Capacitatea (puterea) frigorifică specifică q0 [kcal/kg] [kJ/kg] – trebuie să fie cât mai mare (q0 – căldura preluată de 1 kg de agent în procesul de realizare a efectului frigorific prin vaporizare). Această mărime impune debitul masic de agent frigorific Dom, care parcurge instalația pentru o putere frigorifică dată – Q0. Valoarea maximă a lui q0 este căldura latentă de vaporizare – r.
(la T = To). ( r )To = max (q0)T0
Volumul specific al vaporilor aspirați – v” [m3/kg] – trebuie să fie cât mai redus, în cazul compresoarelor frigorifice cu piston (în vederea micșorării dimensiunilor acestora), și cât mai mare în cazul turbocompresoarelor frigorifice (pentru mărirea randamentului intern al procesului de comprimare);
Capacitatea (puterea) frigorifică volumică – qov [kcal/m3] [kJ/m3] – reprezintă cantitatea de frig produsă de unitatea de volum de agent frigorific aspirat de compresor. Puterea frigorifică volumică este influențată de volumul specific al vaporilor supraîncălziți. Se recomandă ca volumul specific al vaporilor supraîncălziți să fie cât mai mic pentru a obține o putere frigorifică volumică cât mai mare. Puterea frigorifică volumică influențează debitul volumic de agent frigorific Q0v din instalație, și – implicit – mărimea diametrului conductelor și al utilajelor;
Căldura specifică – c [kcal/kgK]: a lichidului frigorific – c’ – trebuie să fie cât mai redusă– în vederea micșorării pierderilor cauzate de ireversibilitatea procesului de laminare; căldura specifică a vaporilor saturați – c” – trebuie să fie cât mai scăzută (c – cantitatea de căldură care trebuie cedată unui kg din acea substanță pentru a-i crește temperatura cu un grad fără a-și schimba starea de agregare); căldura specifică a vaporilor supraîncălziți trebuie să fie cât mai mare.
Punctul de congelare trebuie să fie cât mai scăzut pentru a se obține temperaturi cât mai joase la sursa rece (agentul nu trebuie să înghețe în instalație).
NH3 = –77,7șC; R13 = – 180șC;
Proprietățile de transfer de căldură – (coeficientul de conductivitate termică –λ [W/m.K], coeficientul de convecție – α [W/m2.K] – trebuie să fie cât mai mari, pentru a conduce la un bun transfer de căldură, fapt care poate determina obținerea unor suprafețe de transfer de căldură (ale schimbătoarelor de căldură: vaporizator, condensator, subrăcitor, etc.) cât mai reduse;
Vâscozitatea dinamică [m2/s] – trebuie să fie redusă în scopul diminuării căderilor de presiune pe circuitele de lichid și vapori (astfel se va pierde mai puțină energie pentru vehicularea agentului frigorific și pierderile de presiune vor fi mai mici), dar nu foarte scăzută, pentru a nu favoriza pierderile de agent.
Criterii tehnice și tehnologice
Criteriile tehnice și tehnologice se referă la o serie de proprietăți ale agentului frigorific care sunt necesare pentru funcționarea cât mai optimă a instalației în ansamblu (de exemplu comportamentul fizico-chimic al fluidului frigorific în prezența uleiului care este indispensabil pentru ungerea compresorului sau la pătrunderea accidentală a apei în instalație
Acțiunea față de ulei – agentul frigorific trebuie să fie nemiscibil cu uleiul de ungere (se evită astfel antrenarea acestuia în compresor și se reduce riscul diminuării transferului de căldură în condensator și vaporizator, cu impact asupra diminuării puterii frigorifice);
Acțiunea asupra apei – agentul frigorific nu trebuie să fie higroscopic (să nu dizolve apa) și să nu o descompună chimic;
Acțiunea asupra materialelor constituente ale instalației – agentul frigorific nu trebuie să atace metalele și materialele plastice din componența instalației (este necesar să se cunoască agresivitatea fluidului față de materialele plastice sau elastomerii care intră în componența instalației frigorifice sau a instalației electrice de acționare);
Stabilitatea chimică – fluidul utilizat trebuie să fie perfect stabil la temperaturile la care este supus pe parcursul unui ciclu normal, sau chiar accidental, în cazul unei funcționări anormale (manevrare greșită, avarie etc.);
Stabilitatea termică bună.
Criterii privind siguranța în funcționare(de securitate):
să fie netoxic;
neinflamabil;
fără miros dezagreabil;
inofensiv față de organismul uman;
neexploziv în amestec cu aerul;
inofensiv față de componenții aerului atmosferic;
să nu aibă efect coroziv asupra mediului;
să nu provoace efecte cancerigene sau maladii profesionale;
să fie inofensiv pentru produsele supuse răcirii.
Criterii ecologice (de protecție a mediului)
Fluidul frigorific trebuie să fie inofensiv față de mediul ambiant. Pierderile de agent din instalație nu trebuie să contamineze aerul, apa sau solul. Contribuția la încălzirea atmosferei trebuie să fie minimă, iar acțiunea asupra stratului de ozon trebuie să fie nulă.
În acest context, agentul frigorific trebuie ales astfel încât:
Acțiunea asupra stratului de ozon stratosferic (ODP – Ozon Depletion Potential, ceea ce înseamnă „Potențial de Distrugere a Ozonului”) să fie nulă;
Efectul de seră direct (GWP – Global Warming Potential – ceea ce înseamnă „Potențial Global de încălzire” prin scăpări în atmosferă), cât și indirect (prin CO2 eliminat în atmosferă la producerea energiei de acționare) – trebuie să fie cât mai redus;
Criterii economice
Accesibilitate – agentul frigorific să fie cât mai ușor de produs și procurat în cantități cât mai mari;
Prețul – să fie cât mai mic;
Transportul și depozitarea– să nu creeze probleme speciale.
Condițiile enumerate mai sus nu sunt îndeplinite în totalitate de nici unul dintre agenții frigorifici. Din acest motiv, alegerea rațională a unui astfel de agent se va efectua atât în funcție de tipul instalației, de condițiile de lucru (și particularitățile constructive ale acesteia), cât și în urma unei analize tehnico-economice a proprietăților specifice pentru diferite substanțe.
VI.6.1.1.b. Caracteristicile agenților de lucru ai instalațiilor cu compresie mecanică de vapori
Pentru a permite funcționarea ciclică a instalațiilor frigorifice și a pompelor de căldură, agenții termodinamici de lucru din acestea, preiau căldură prin vaporizare și cedează căldură prin condensare, la temperaturi scăzute sau apropiate de ale mediului ambiant, deci trebuie să fie caracterizate de unele proprietăți particulare, care îi deosebesc de agenții termodinamici din alte tipuri de instalații. Din acest motiv, aceste substanțe poartă și denumirea de agenți frigorifici.
VI.6.2. Proprietăți ale agenților frigorifici
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:
– temperatura de vaporizare la presiunea normală, trebuie să fie mai redusă decât temperatura ambiantă;
– căldura preluată de un kilogram de agent, prin vaporizare, trebuie să fie cât mai mare, pentru a se asigura debite masice reduse;
– volumul specific al vaporilor trebuie să fie cât mai redus, pentru a se obține dimensiuni de gabarit reduse, ale compresoarelor;
– presiunea de vaporizare la temperaturile scăzute de lucru, 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 specifică în stare lichidă trebuie să fie cât mai mică, pentru a nu apare pierderi mari prin ireversibilități interne, în procesele de laminare adiabatică;
– 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).
Pentru a nu se utiliza denumirile chimice complicate ale acestor substanțe, agenții frigorifici au fost denumiți freoni, sunt simbolizați prin majuscula R, (de la denumirea în limba engleză – Refrigerant) și li s-a asociat un număr care depinde de compoziția chimică. Unii dintre cei mai cunoscuți agenți frigorifici sunt prezentați în Tab.VI.6.2., împreună cu temperatura normală de vaporizare și indicele transformării adiabatice.
Tab.VI.6.2. Caracteristici ale agenților de lucru pentru instalații cu compresie mecanică de vapori
VI.6.2.1. Compoziția chimică a freonilor
Din punctul de vedere al compoziției chimice, freonii, care sunt hidrocarburi fluorurate, pot fi împărțiți în trei mari categorii – Tab.VI.6.3:
– CFC (clorofluorocarburi), freonii clasici, care conțin Cl foarte instabil în moleculă;
– HCFC (hidroclorofluorocarburi), freoni denumiți de tranziție, care conțin în moleculă și hidrogen, datorită căruia Cl este mult mai stabil și nu se descompune atât de ușor sub acțiunea radiațiilor ultraviolete;
– HFC (hidrofluorocarburi), considerați freoni de substituție definitivă, care nu conțin deloc în moleculă atomi de Cl.
Tab.VI.6.3. Componența freonilor CFC, HCFC și HFC
Fig.VI.6.1. Exemple de agenți frigorifici utilizați în mod frecvent
Pe lângă cele trei categorii de agenți frigorifici menționate, există și agenți frigorifici naturali, între care amoniacul (NH3), simbolizat și prin R717, este cel mai important și cel mai utilizat,datorită proprietăților sale termodinamice, care îl fac cel mai performant agent frigorific din punctul de vedere al transferului termic. Agenții frigorifici utilizați în mod frecvent sunt prezentați în Fig.VI.6.1.
VI.6.4. Domenii de utilizare a agenților frigorifici
Cele mai importante domenii de utilizare a freonilor și agenții de substituție pentru freonii clasici, sunt prezentate în Tab.VI.6.4.
Tab.VI.6.4. Domenii de utilizare a agenților frigorifici
Observație: O mare parte dintre agenții frigorifici, în special cei de substituție, reprezintă amestecuri ale unor alți freoni.
Pentru instalațiile frigorifice de puteri medii și mari amoniacul – NH3 va rămâne, cel puțin pentru o perioadă, agentul frigorific cel mai utilizat.
Dintre agenții frigorifici halogenați, R11 și R12, precum și amestecurile azeotrope din care fac parte, fiind cei mai nocivi, au fost eliminați.
Se impune, deci, o nouă stretegie în realizarea sistemelor frigorifice: să fie executate cât mai etanș, cu agenți frigorifici cu un potențial cât mai redus de încălzire a atmosferei, dar și cât mai eficiente energetic (utilizarea unor compresoare cu un consum minim de energie și a unor schimbătoare de căldură mai performante).
VI.6.5. Agenți de lucru ai instalațiilor frigorifice cu ejecție (IFE)
Instalația frigorifică cu ejecție IFE, folosește pentru funcționare, direct energia termică, respectiv vapori motori de apă (abur) care se destind într-un ejector – E, realizându-se astfel antrenarea vaporilor reci (de apă) produși în instalație.
Deși instalațiile frigorifice cu ejecție IFE pot funcționa cu orice tip de agent frigorific, singurele instalații de acest tip care s-au impus sunt cele cu vapori de apă.
Din punct de vedere termodinamic, apa poate fi considerată ca un agent frigorific foarte bun deoarece:
Prezintă cele mai bune proprietăți termodinamice, de transfer de căldură și de masă (λ, α – având valori foarte ridicate);
Este inertă față de uleiuri și materiale plastice;
Vaporii de apă sunt neinflamabili și neexplozivi;
Este ieftină;
Nu prezintă risc de contaminare pentru produsele supuse răcirii și pentru organismul uman.
În schimb, apa în stare de vapori are și câteva mari dezavantaje (Tab.VI.6.5):
Presiunea de vaporizare foarte scăzută la temperaturi de vaporizare uzuale, ceea ce conduce la pătrunderi de aer în instalație prin neetanșeități;
Vaporii de apă absorb radiațiile infraroșii, contribuind astfel la efectul de seră;
Volumul masic al vaporilor este foarte mare, la temperaturi uzuale pentru tehnica frigului, ceea ce implică debite volumice enorme;
Punct triplu ridicat (tT = 0,01°C)
Tab.VI.6.5. Comparație între agenți frigorifici
Menținerea unui vid înaintat de valoarea celui ce rezultă din Tab.VI.6.5. pentru apa folosită ca agent frigorific, se realizează cu ajutorul unui echipament frigorific auxiliar și consumuri suplimentare de energie care complică și scumpesc instalația respectivă.
Rezultă că, sfera de utilizare a apei ca agent frigorific este redusă doar pentru temperaturi de vaporizare mai mari de 0°C (uneori sub 4°C, obișnuit între 8 … 11°C), temperaturi necesare instalației de climatizare.
VI.6.6. Agenți de lucru ai instalațiilor frigorifice cu absorbție (IFA)
Agenții de lucru pentru instalațiile frigorifice bazate pe fenomenul absorbției (comprimare termochimică) sunt, de obicei, soluții alcătuite din două (soluții binare) sau mai multe substanțe. În cadrul soluției, una dintre substanțe este ușor volatilă – și din această cauză, este numită chiar agent termic de lucru, iar cealaltă substanță este absorbantul – datorită faptului că poate absorbi cu ușurință vaporii substanței mai ușor volatile.
Soluțiile binare sunt sisteme termodinamice formate din doi componenți care alcătuiesc un amestec, de obicei bifazic (lichid și vapori).
La soluțiile binare aflate în echilibru termodinamic, parametrii fizici și chimici sunt aceeași în orice punct din masa fiecărei faze (în realitate, proprietățile fizice pot avea o variație redusă, de la un punct la altul, fără ca aceasta să influențeze, considerabil, desfășurarea proceselor). La limita se separație a fazelor, compoziția chimică și proprietățile fizice se modifică brusc. Instalațiile frigorifice cu absorbție permit, așadar, utilizarea acelor agenți de lucru pentru care există absorbanți corespunzători. Ținând seama de specificul acestor instalații care constă în realizarea succesivă a reacțiilor chimice de absorbție și, respectiv, de desorbție a agentului, este necesară respectarea unor condiții suplimentare:
diferență mică de presiune între condensator și vaporizator, în vederea diminuării consumului de energie necesar pentru pomparea soluției;
căldură de vaporizare cât mai mare, pentru reducerea dimensiunilor schimbătoarelor de căldură și conductelor precum și a debitului de agent;
căldură specifică mică a absorbantului, pentru reducerea suprafeței schimbătorului de căldură;
diferență mare între temperaturile normale de vaporizare ale agentului de lucru și a absorbantului, ceea ce permite reducerea gradului de antrenare a absorbantului de către vaporii agentului de lucru și micșorarea dimensiunilor aparatelor de rectificare;
viteză de absorbție mare, pentru reducerea dimensiunilor absorbitorului.
În cazul instalațiilor frigorifice care utilizează procesul de absorbție, cei doi componenți ai soluției binare sunt:
agentul absorbant (solventul) – care este componentul cu temperatura normală de saturație (tf) mai ridicată;
agentul de lucru propriu-zis (agentul termic sau dizolvantul), care este componentul mai volatil, caracterizat prin temperatură normală de saturație (tf), mai coborâtă.
Numărul substanțelor chimice care pot fi utilizate ca absorbanți este mult mai mare decât cel al agenților frigorifici.
În cazul instalațiilor frigorifice care utilizează procesul de absorbție, cei doi componenți ai soluției binare sunt:
în special săruri și soluții de săruri (pentru agenții frigorifici: apă, metanol, amoniac și metilamină);
apă;
acizi și baze anorganice;
substanțe organice, chimic stabile care au punctul de fierbere ridicat;
metalele – pentru hidrogen, ca agent termic de lucru.
Compatibilitatea absorbantului cu agentul termic se determină, în mod experimental și, este limitată numai la acel agent termic de lucru pentru care sunt îndeplinite condițiile:
stabilitate chimică;
capacitate ridicată de absorbție;
solubilitate cât mai ridicată;
entalpie de dizolvare scăzută, de preferință negativă.
În instalațiile cu absorbție (comprimare termochimică) cele mai utilizate soluții binare (agenți de lucru și absorbanți) sunt următoarele:
soluția hidroamoniacală – compusă din agentul frigorific amoniacul NH3 și absorbantul apa H2O, utilizată atât în instalațiile frigorifice pentru obținerea unor temperaturi de 0…–60 °C, cât și în cele de pompe de căldură; diferența temperaturilor normale de vaporizare ale apei și amoniacului fiind de circa 33°C (în faza de vapori a soluției hidroamoniacale se află ambii componenți; acest aspect impune rectificarea soluției, ceea ce determină reducerea coeficientului termic până la 0,5…0,7);
soluția de bromură de litiu-apă, compusă din agentul frigorific apa (H2O) și absorbantul – bromura de litiu (LiBr), utilizată în instalațiile frigorifice la nivel de condiționare a aerului și răcire a apei pentru realizarea unor temperaturi de 0…+10°C. Diferența temperaturilor normale de vaporizare ale celor doi componenți fiind de circa 1.165 °C, se constată că, în faza de vapori a soluției de BrLi, se află numai vapori de apă, ceea ce permite realizarea unor coeficienți termici ai instalației foarte mari.
VI.6.7. Agenți intermediari
Agenții intermediari sunt fluide utilizate, de obicei, în stare lichidă, în instalațiile frigorifice cu răcire indirectă. Prin intermediul acestora, căldura este preluată de la obiectul (mediul) supus răcirii și transferată la sursa rece (vaporizator), atunci când contactul agentului frigorific (din circuitul primar) cu corpul (mediul) răcit poate avea efecte negative.
Pentru transportul frigului de la generatorul de frig la consumator sunt utilizați agenți purtători de frig (intermediari) care trebuie să satisfacă următoarele cerințe:
temperaturi joase de congelare;
vâscozitate mică pentru reducerea pierderilor hidraulice la circulația prin conducte;
căldură specifică mare pentru diminuarea debitului de agent intermediar;
acțiune corosivă redusă în raport cu metalele feroase și neferoase;
stabilitate chimică;
toxicitate redusă, neinflamabilitate etc.
Pe lângă apă și aer, se folosesc ca agenți intermediari de răcire soluții apoase de alcooli (propilenglicol, etilenglicol, alcool etilic, glicerina) și soluții apoase de săruri minerale, denumite și saramuri (clorură de calciu, clorură de sodiu ș.a.) precum și freonii R30 și R11.
Concentrația agentului intermediar corespunde la diverse puncte de congelare a soluției și trebuie astfel aleasă încât să se evite pericolul de congelare al soluției. Pentru reducerea efectului corosiv se recomandă ca soluțiile să fie ușor alcaline cu pH = 7…8.
Ca agenți purtători de frig pot fi utilizate lichidele antigel de tipul soluției de etilen glicol pentru temperaturi de – 75°C.
De asemenea, se poate folosi R30 pentru temperaturi de –40… –90 °C și chiar freonul R11 pentru temperaturi de –105 °C.
VI.7. Materiale și echipamente specifice instalațiilor frigorifice
VI.7.1. Compresoare frigorifice
Compresorul acționează ca pompă ce permite circulația agentului frigorific în circuitul de răcire. Vaporii de agent frigorific cu temperatură și presiune coborâte se evaporă în vaporizator și sunt comprimați până la presiunea la care agentul frigorific poate fi ușor lichefiat în condensator.
Considerații generale. Clasificare.
Luându-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.
La rândul lor, după criterii constructive, compresoarele volumice se împart în:
— compresoare volumice cu mișcare liniară-alternativă a pistonului (alternative);
— compresoare volumice cu pistoane rotative.
— compresoare elicoidale (screw compressor);
— compresoare cu spirală (scroll compressor);
— compresoare volumice cu membrană;
— compresoare volumice electromagnetice.
Considerându-se aceleași criterii constructive, turbocompresoarele împart în:
— compresoare centrifuge sau radiale;
— compresoare axiale.
În prezent compresoarele volumice, în general și mai ales cele alternative au o pondere covârșitoare în aplicațiile din tehnica frigului.
Compresoarele cu piston se pot clasifica după sensul de mișcare a vaporilor în cilindri în:
– compresoare în echicurent la care aspirația vaporilor are loc prin carter, supapa de aspirație fiind montată în piston, iar cea de refulare în capacul compresorului. În aceste condiții deplasarea agentului are loc într-un singur sens, ascendent, prin spațiul de lucru al cilindrului;
– compresoare în contracurent la care ambele supape sunt montate în capacul compresorului, iar deplasarea agentului are loc cu schimbarea sensului la trecerea prin spațiul de lucru al cilindrului.
În funcție de modul în care compresorul este cuplat la motorul electric (după forma constructivă a compresorului) compresoarele pot fi:
– compresoare deschise (cu presetupă); când motorul este în exteriorul compresorului, antrenarea axului compresorului făcându-se prin transmisii prin curele.
– compresoare semicapsulate și capsulate, cand motorul și compresorul sunt montate pe același arbore.
Se menționează că, în afară de cele amintite, mai sunt posibile și alte clasificări.
VI.7.1.1. Construcția părților componente ale compresorului
Părțile componente ale unui compresor sunt prezentate în schema de principiu din Fig.VI.7.1. Corpul compresorului este alcătuit din ansamblul carter-cilindru, ale cărui părți componente pot fi turnate împreună într-un singur bloc, sau separat și îmbinate prin șuruburi cu o garnitură de etanșare.
Carterul – are gură de vizitare pentru a permite accesul la sistemul bielă – manivelă. În partea superioară a cilindrilor se află chiulasa, prin care are loc accesul la supapele compresorului. Corpul compresorului și chiulasa sunt turnate din fontă perlitică uneori înnobilată cu nichel, pentru a fi etanșă contra scăpărilor de agent frigorific.
Fig.VI.7.1. Părțile componente ale unui compresor
1 – placă cu supapă de refulare, 2 – pistoane, 3 – cilindru, 4 – tijă de conectare, 5 – pompă de ungere cu ulei, 6 – arbore cotit (perforat pentru lubrifiere), 7 – etanșarea arborelui cotit
Distribuția compresorului. Aceasta este constituită din supapele de aspirație și de refulare.
Supapele – sunt autocomandate, adică deschiderea și închiderea lor se realizează datorită forței de presiune și forței de apăsare a unui resort. Montajul și construcția acestor supape diferă funcție de tipul de compresor dacă este în echicurent sau contracurent.
La compresoarele în echicurent, aspirația vaporilor se poate face prin carter, ceea ce produce o antrenare a uleiului de ungere, care în caz de neseparare, poate ajunge în condensator și vaporizator sau supapa de aspirație se montează în piston, dar vaporii nu vin în contact cu uleiul de ungere din carter.
La compresoarele în contracurent supapele de aspirație și de refulare sunt montate într-un bloc comun al supapelor, în capătul cilindrului.
Compresoarele frigorifice folosesc supape cu inele de etanșare, supape cu disc de etanșare și supape cu discuri de etanșare și cu arc-disc cu lamele.
VI.7.1.2. Tipuri constructive de compresoare
A) Compresoare cu piston
Compresoarele deschise au caracteristica constructivă că arborele de antrenare trece în exterior prin carterul compresorului, Fig.VI.7.2. Astfel, este necesară prevederea unei presetupe, care să asigure o etanșare bună.
Se pot cupla cu motoare separat, de tip electric sau termic și pot vehicula orice tip de agenți frigorifici.
Fig.VI.7.2. Compresor deschis (https://www.eurocold.nl) Fig 12. Interiorul unui compresor deschis cu piston (http://www.termo.utcluj.ro)
1 – supapă de aspirație; 2 – resort pentru prevenirea loviturilor hidraulice; 3 – piston; 4 – cămașă de cilindru; 5 – canal de aspirație
Folosirea compresoarelor deschise este avantajoasă în special datorită posibilităților de adaptare cu ușurință la diferite puteri frigorifice. În general sunt utilizate pentru puteri frigorifice medii și mari.
O altă caracteristică generală a acestor compresoare, în special la cele cu freoni, care se amestecă cu uleiul de ungere, este că funcționarea se realizează în contracurent. Această soluție este impusă pentru asigurarea condițiilor de ungere.
Compresoare semicapsulate și capsulate
Cel mai mare avantaj al acestora, față de cele deschise, este lipsa presetupei și prin aceasta eliminarea completă a posibilităților de pierdere a agentului frigorific.
Însă fabricația lor prezintă mai multe dificultăți tehnologice și reclamă o precizie foarte ridicată.
Compresoarele capsulate (Fig.VI.7.3.) se fabrică astăzi în general cu motoare încorporate montate în carcasă.
Fig.VI.7.3. Compresor capsulat
B) Compresoare elicoidale
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.
În Fig.VI.7.4. este reprezentat un compresor birotor orizontal, iar Fig.VI.7.5. este reprezentat un compresor birotor vertical.
Fig.VI.7.4. Compresor birotor orizontal Fig.VI.7.5. Compresor birotor vertical
1-rotor tată, 2- rotor mamă, 3- dispozitiv pentru reglarea puterii, 4- dispozitiv pentru reglare volumului index.
C) Compresoare volumice rotative
În această categorie sunt incluse: compresoare cu palete; compresoare cu piston rotativ; compresoarecu spirale (Scroll).
Toate aceste mașini sunt caracterizate de simplitatea aparentă a construcției, datorată numărului redus de piese în mișcare, dar care necesită tehnologii de fabricație scumpe.
Compresor cu spirale (Scroll)
Piesele principale sunt practic două spirale una în alta (Fig.VI.7.6.). 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.
Fig.VI.7.6. Compresor cu spirale a) spirală fixă (stator); b) spirală mobilă (rotor) (http://homeairconditioner.ca/images/Scroll-Compressor-AC-720×320.png)
D) Compresoare centrifugale
Compresoarele centrifugale sunt utilizate într-o mare varietate de instalații frigorifice și pentru condiționarea aerului. 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 2 m.
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 comprimați toți agenții frigorifici.
Compresoarele centrifugale semiermetice se utilizează în condiționarea aerului, unde raportul de comprimare mai redus permite utilizarea a numai două trepte de comprimare, la o turație care poate fi realizată prin antrenarea directă utilizând un motor electric cu doi poli. O asemenea variantă este prezentată în Fig.VI.7.7.
Fig.VI.7.7. Compresor centrifugal semiermetic (http://www.gea.com/en/binaries/HG46CO2T_30Grad_1200x675px_weboptimiert_tcm11-13241_w710.jpg)
VI.7.1.3. 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.
Fig.VI.7.8. Separator de ulei
În Fig.VI.7.8. 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.
VI.7.2. Condensatoare
Condensatorul servește la transformarea agentului frigorific refulat de compresor din stare gazoasă în stare lichidă. Condensatorul agregatului frigorific reprezintă aparatul schimbător de căldură în care vaporii supraîncălziți ai agentului frigorific transmit căldura mediului înconjurător mai rece, condensându-se.
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).
VI.7.2.1. Condensatoare răcite cu apă
Condensatoarele răcite cu apă se folosesc pentru instalații cu putere frigorifică, în general, superioară valorii de 3 kW. Se cunosc mai multe tipuri de asemenea condensatoare:
a) Condensatoare cu serpentină înecată. Sunt cele mai vechi condensatoare răcite cu apă ce au fost realizate. Acestea sunt formate dintr-o serpentină spirală din oțel (Fig.VI.7.9; Fig.VI.7.10) montată într-o manta cilindrică care joacă și rolul de rezervor de lichid. Apa circulă în serpentină și agentul frigorific condensează pe suprafața exterioară a serpentinei. Acest tip de condensator se utilizează foarte rar în unele mașini frigorifice comerciale, din cauza dificultăților legate de montarea și curățitul serpentinei, cât și ca urmare a coeficienților reduși de transfer de căldură.
Fig.VI.7.9. Condensator cu serpentină înecată
1 – agent frigorific vapori; 2 – agent frigorific lichid; 3 – aripioare; 4, 5 – apă de răcire; 6 – serpentină de răcire; 7 – carcasă; 8 – corpul condensatorului
Fig.VI.7.10. Condensator cu serpentină înecată
1 – agent frigorific vapori; 2 – agent frigorific lichid; 3, 4 – apă de răcire; 5 – schimbător de căldură.
b) Condensatoare cu conducte concentrice și circulație a mediilor în contracurent. În conducta interioară a acestui tip de condensator circulă apa de răcire și în spațiul inelar condensează vaporii de agent frigorific (Fig.VI.7.11). Un asemenea sistem permite o intensificare a transferului de căldură între cele două medii prin creșterea vitezei de circulație a apei.
Fig.VI.7.11. Condensator cu conducte concentrice și circulație a mediilor în contracurent
1 – agent frigorific vapori; 2 – agent frigorific lichid; 3, 4 – apă de răcire.
c) Condensatoare multitubulare – acestea reprezintă o dezvoltare a celor cu conducte concentrice, în sensul că pentru eliminarea coturilor multiple, conductele pentru circulația apei se grupează în paralel într-o virolă cilindrică din oțel, pe suprafața conductei condensând agentul frigorific. Pentru condensatoarele de puteri mici, virola cilindrică poate servi și ca rezervă: pentru agentul frigorific condensat.
Aceste condensatoare sunt de două tipuri:
– condensatoare multitubulare orizontale;
– condensatoare multitubulare verticale.
În Fig.VI.7.12. se prezintă schema unui condensator multitubular orizontal. Acesta este compus dintr-un corp cilindric 1 realizat dintr-o conductă de oțel laminat, fără sudură, sau la diametre mari, dintr-o virolă din tablă și sudată.
Fig.VI.7.12. Condensator multitubular orizontal
1 – racord intrare agent frigorific; 2 – racord ieșire agent frigorific; 3, 4 – racord intrare-ieșire apă; 5 – placă tubulară; 6 – manta cilindrică; 7 – conducte; 8 – capace.
VI.7.2.2. Condensatoare răcite cu aer
Acest tip de condensator se utilizează în prezent pentru o gamă largă de puteri, ajungând, la milioane de W, 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. Schema de funcționare este prezentată în Fig.VI.7.13.
Condensatoarele cu circulație forțată a aerului sunt cele mai răspândite în instalații comerciale și industriale, iar curgerea aerului este asigurată de ventilatoare.
Fig.VI.7.13. Condensator răcit cu aer
1 – intrare agent frigorific; 2 – ieșire agent frigorific; 3 – aripioare; 4 – serpentină; 5 – intrare aer de răcire; 6 – ieșire aer de răcire.
Bateriile de condensare pot să fie orizontale, ca în Fig.VI.7.14., unde aerul este vehiculat de patru ventilatoare, sau verticale, prezintă un cadru metalic și un suport pentru ventilatoare.
Fig.VI.7.14. Condensator orizontal răcit cu aer, cu patru ventilatoare (http://ctgroup.ro/wp-content/uploads/2014/02/air-cooled-condensers-17567-5776887.jpg)
De obicei, pentru freoni bateriile de condensare au țevi din cupru și aripioare din aluminiu, iar pentru amoniac, au țevi din oțel și aripioare tot din aluminiu.
VI.7.2.3. Condensatoare răcite mixt
a) Condensatoare răcite mixt, cu circulația naturală a aerului Condensatoarele cu răcire mixtă (condensatoare atmosferice) sunt utilizate în scopul reducerii consumului de apă de răcire.
Primele condensatoare atmosferice sau condensatoare cu stropire construite la început, constau din serpentine cu conducte orizontale stropite de sus cu apă. Vaporii de agent frigorific se introduceau pe sus iar pe jos se scurgea condensul. Căldura de condensare este preluată atât de apa de răcire cât și de aerul ce circulă natural.
La apa recirculată se adaugă o cantitate de apă proaspătă pentru a acoperi pierderile prin evaporare, pierderile de apă cauzate de antrenarea picăturilor de către aer și de evacuarea prin preaplin la canal.
În Fig.VI.7.15, a este desenată schema unui astfel de condensator. Inconvenientul acestui tip de condensator constă în faptul că o însemnată parte a suprafeței condensatorului este înecată în lichid și deci reduce transferul de căldură între vapori și pereți. Pentru eliminarea acestui inconvenient au fost introduse prize intermediare de lichid prin care se evacuează lichidul și o parte din uleiul antrenat. Schema acestui tip este indicată în Fig.VI.7.15.b.
Fig.VI.7.15. Condensator atmosferic, cu circulație naturală a aerului: a) construcție simplă; b) cu prize intermediare
1 – intrare agent frigorific; 2 – ieșire agent frigorific; 3 –intrare apă de răcire; 4 – ieșire apă de răcire 5 – pompă de recirculație apă; 6 – distribuitor apă; 7 – colector apă.
b) Condensatoare cu evaporare forțată. Au același principiu de funcționare ca și cele atmosferice, cu singura deosebire că circulația aerului de răcire se realizează forțat și prin aceasta crește coeficientul de transfer ce căldură între apă și aer.
Circulația aerului se realizează cu ajutorul ventilatoarelor care refulează sau aspiră aerul peste suprafața conductelor condensatorului. Picăturile de apă antrenate de aer sunt reținute de un separator de picături (Fig.VI.7.16). Suprafața conductelor este prevăzută uneori cu aripioare.
Majoritatea firmelor străine constructoare de condensatoare cu evaporare forțată montează un schimbător de căldură cu aripioare pentru răcirea vaporilor supraîncălziți. Acesta se află deasupra separatorului de picături și este spălat de aerul umed.
Pentru ca apa în colector să nu se polueze excesiv cu resturile apei evaporate pe suprafața conductelor, se introduce ca apă de adaos mai multă apă decât ceea ce s-a evaporat.
La temperaturi ale aerului exterior sub 0°C, condensatorul poate fi răcit numai cu aer. În figura 28 se observă că cele două aparate condensatorul și turnul de răcire al apei sunt incluse în același aparat.
Fig.VI.7.16. Schema unui condensator cu evaporare forțată (http://www.infoconstruct.ro)
1 – intrare agent frigorific (vapori); 2 – ieșire agent frigorific (lichid); 3 – colector de condens a agentului frigorific; 4 – pompă de recirculare apă; 5 – distribuitor de apă; 6 – serpentină; 7 – separator de picături; 8 – ventilator.
Fig.VI.7.17. Grup Compresor – condensator
VI.7.3. Ventilul de laminare
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 pc a lichidului obținut în condensator, până la valoarea presiunii de vaporizare po a agentului care urmează să ajungă în vaporizator.
Acest proces se realizează în ventilul de laminare, 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. Având în vedere că în timpul realizării acestui proces termodinamic, nu se manifestă nici interacțiuni sub formă de lucru mecanic, se poate considera că entalpia rămâne constantă.
În instalațiile de putere frigorifică redusă, cum sunt de exemplu echipamentele frigorifice casnice, sau unele aparate de condiționare a aerului, laminarea adiabatică se poate realiza și în tuburi capilare.
Ventilul de laminare furnizează agentul de lucru cu care urmează sâ fie alimentat vaporizatorui.
Simplitatea constructivă și funcțională a acestui dispozitiv, permite modificarea ușoară a condițiilor de realizare a curgerii, cu toate implicațiile care decurg asupra modificării condițiilor de lucru din instalație.
Din aceste motive, în practica instalațiilor frigorifice ventilul de laminare are rolul unui dispozitiv de automatizare, care controlează procesul de alimentare cu lichid a vaporizatorului. Este evident, că în mod indirect, prin cantitatea de lichid din vaporizator, poate fi controlată puterea frigorifică realizată de instalație.
În Fig.VI.7.18. este prezentat un răcitor de aer alimentat prin ventil de laminare, iar în Fig.VI.7.19. este redată schema de alimentare prin ventil de laminare a unui vaporizator, răcitor de aer.
Fig.VI.7.18. Ventil de laminare (a) și răcitor de aer alimentat cu ventil de laminare termostatic (b)
1 – ventil de laminare termostatic; 2 – răcitor de aer (http://www.voltatec.ro/foto/430.jpg)
Fig.VI.7.19. Schema de alimentare prin ventil de laminare a unui răcitor de aer
1 – agent frigorific la înaltă presiune; 2 – agent frigorific la joasă presiune; 3 – ventil de laminare termostatic; 4 – răcitor de aer; 5 – ieșire agent frigorific.
VI.7.4. Vaporizatoare
Vaporizatorul reprezintă un schimbător de căldură din componența agregatelor frigorifice în care se realizează preluarea căldurii de la produsele supuse răcirii.
Fig.VI.7.20. Vaporizator – schimbător intern de căldură (regenerativ)
Clasificarea vaporizatoarelor în funcție de modul de răcire asttfel:
VI.7.4.1. Vaporizatoare pentru răcirea unui lichid
Acestea pot să răcească lichidul prin imersia suprafeței de schimb de căldură în lichid, sau prin circulația de răcit dintr-o parte în alta a vaporizatorului. Răcirea lichidelor este o problemă chiar mai complexă decât răcirea gazelor, datorită diversității mari a acestor lichide.
În afara de apă și soluțiile apoase de saramuri sau de tip antigel, pentru care proprietățile termofozice sunt foarte bine cunoscute, există numeroase alte lichide care trebuie răcite si pentru care determinarea proprietatilor termofizice se realizează printr-o susținută activitate de cercetare. Alegerea vaporizatoarelor de acest tip se efectuează în funcție de regimul temperaturilor de intrare/ieșire, și de proprietățile termofizice ale soluției care trebuie răcite.
În principiu există trei tipuri de vaporizatoare pentru răcirea lichidelor: imersate; înecate, cu detentă uscată (sau uscate).
a) Vaporizatoare imersate
În Fig.VI.7.21. este prezentat un vaporizator de acest tip. Asemenea vaporizatoare sunt caracterizateprintr-o scădere redusă a temperaturii lichidului aflat în bazin, dar asigură un debit foarte mare de agent răcit.
Asemenea aparate se pot utiliza în:
– bazine pentru răcirea unor agenți intermediari;
– bazine pentru acumulare de gheață în vedere acoperirii unor vârfuri de sarcină, specifice de exemplu industriei laptelului;
– bazine pentru răcirea peștelui.
Există două variante de asemenea vaporizatoare: cu serpentine și cu grătar.
Fig.VI.7.21. Vaporizator imersat
Vaporizatoarele de tip grătar pot să fie construite din grătare cu țevi verticale sau orizontale.
Cele mai utilizate sunt cu țevi verticale, singurele folosite în cazul amoniacului. Fiecare grătar este realizat dintr-un ansamblu de țevi lise, sudate de distribuitori și colectori orizontali sau verticali, în funcție de tipul grătarului. Alimentarea cu lichid a vaporizatoarelor imersate se realizează din separatoare de lichid sau din butelii de răcire intermediară, prin intermediul ventilelor de reglaj termostatice în cazul serpentinelor, respectiv prin termosifon (autorecirculare) în cazul grătarelor. Pentru sarcini termice reduse se pot utiliza și vaporizatoare coaxiale, Fig.VI.7.22.
Fig.VI.7.22. Vaporizator coaxial
1, 2 – racorduri apă; 3, 4 – racorduri agent frigorific.
Vaporizatoarele cu serpentine, ca cel din Fig.VI.7.23. sunt constituite dintr-un ansamblu de serpentine realizate din oțel sau cupru în funcție de natura agentului răcit. Serpentinele sunt racordate la distribuitoare și colectoare, iar ansamblul format este amplasat într-un bazin.
Circulația agentului intermediar răcit, în vederea omogenizării temperaturii, este asigurată prin intermediul unor agitatoare verticale.
În cazul acumulării de gheață, țevile sunt suficient de depărtate pentru depunerea a 30…40 mm de gheață, fără unirea cilindrilor de gheață depusă.
Fig.VI.7.23. Vaporizator imersat realizat din mai multe serpentine (http://www.scrigroup.com/)
1 – baterie de vaporizare
b) Vaporizatoare înecate
Aceste aparate sunt de tip multitubular, ca în Fig.VI.7.24. Se utilizează foarte des în instalații cu compresoare centrifugale pentru răcirea apei glaciale (cu temperatura foarte apropiată de 0°C). În acest caz se utilizează țevi speciale din cupru, de tipul celor prezentate în prima parte a acestui capitol.
Fig.VI.7.24. Schema de curgere a agenților într-un vaporizator multitubular înecat
1 – agent frigorific lichid; 2 – agent frigorific vapori; 3 – vaporizator; 4 – lichid de răcit; 5 – lichid răcit.
Fig.VI.7.25. Vaporizator multitubular înecat (http://www.creeaza.com/files/instalatii/85_poze/image022.jpg; http://www.creeaza.com/files/instalatii/85_poze/image028.jpg)
Agentul răcit circulă printre țevi si se răcește până la temperaturi în general pozitive (ca să nu înghețe în țevi). Spațiul dintre țevi este ocupat de agentul frigorific lichid, care vaporizează. Vaporii sunt colectați în domul separator din partea superioară a aparatului, de unde sunt aspirați de compresor. Picăturile de lichid care pot să fie antrenate, se reîntorc din dom înapoi în spațiul dintre țevi.
Pentru puteri frigorifice sub 1200 kW, unii constructori montează în mantaua fasciculului de țevi pentru vaporizator și mantaua condensatorului, relizând astfel construcții foarte compacte.
Dacă se utilizează acest tip de vaporizator, în instalații având compresoare cu piston sau elicoidale lubrifiate, este necesar să fie prevazut și un sistem de colectare a uleiului și de reîntoarcere în compresor. În cazul utilizării amoniacului, construcția este realizată din oțel, iar uleiul este recuperat într-un colector amplasat în partea inferioară.
Avantajele acestui tip de vaporizator sunt în principal următoarele:
– asigură debite mari de vapori de agent frigorific, ceea ce le face utilizabile împreună cu compresoarele centrifugale;
– asigură puteri frigorifice mari, necesare în instalațiile cu amoniac pentru realizarea de temperaturi foarte scăzute;
– coeficientul global de transfer termic este îmbunătățit prin utilzarea țevilor speciale cu suprafețe extinse.
Dezavantajele principale ale vaporizatoarelor înecate sunt:
– prezintă riscul înghețării agentului intermediar în țevi, în special la răcirea apei sub 2…3°C;
– existența unei cantitati mari de agent frigorific lichid în interiorul mantalei, face ca datorită presiunii hidrostatice, la baza aparatului temperatura de vaporizare să fie sensibil mai mare decât la suprafată;
– generează o încarcatură mare de agent frigorific, ceea ce crește costurile cu agentul frigorific;
– necesitatea eliminării uleiului de ungere impune utilizarea unor dispozitive speciale;
– coeficientul global de transfer termic este înrăutătit deoarece lichidul răcit are vâscozitatea mare (estea proape de solidificare), ceea ce generează un regim de curgere laminar sau tranzitoriu.
VI.7.4.2. Vaporizatoare pentru răcirea aerului
Aceste vaporizatoare pot să fie utilizate la fel de bine și pentru răcirea aerului și pentru răcirea altor gaze. Atunci când aerul conține umidiate (vapori de apă), la dimensionarea vaporizatoarelor se va ține seama de acest lucru, deoarece la temperaturi ale suprafeței vaporizatorului peste 0°C, dar sub temperatura punctului de rouă, pe suprafața vaporizatorului se va depune umiditate, iar dacă temperatura suprafeței de transfer termic scade sub 0°C, această umiditate se va transforma în brumă sau zăpadă. Prezența zăpezii pe suprafața vaporizatoarelor, este un fenomen foarte frecvent și influentează construcția acestor aparate, în special mărimea pasului dintre aripioare.
În funcție de modul de circulație a aerului, vaporizatoarele pentru răcirea aerului se împart în:
– Vaporizatoatre cu circulație naturală a aerului;
– Vaporizatoare cu circulație forțată a aerului.
a) Vaporizatoarele cu circulație naturală a aerului
Aceste aparate se pot monta pe tavanul camerelor frigorifice ca în Fig.VI.7.26, sau pe pereții acestora, ca în Fig.VI.7.27, unde este reprezentată o baterie de răcire cu țevi lise, respectiv în Fig.VI.7.28, unde este reprezentată o baterie de răcire cu țevi având aripioare.
Fig.VI.7.26. Racitor de aer de tavan (ventiloconvector)
Fig.VI.7.27. Răcitor de aer de perete, cu circulație naturală a aerului și țevi lise
1 – intrare agent frigorific lichid; 2 – ieșire agent frigorific vapori; 3 – serpentină; 4 – suport; 5 – bridă.
Fig.VI.7.28. Răcitor de aer de perete, cu circulație naturală a aerului și țevi având aripioare
1 – intrare agent frigorific lichid; 2 – ieșire agent frigorific vapori; 3 – serpentină; 4 – aripioare; 5 – suport; 6 – bridă.
Aceste tipuri de vaporizatoare se utilizează atunci când se dorește o circulație redusă a aerului și o uscare pronunțată a acestuia la temperaturi pozitive, de exemplu în camere pentru păstrarea brânzeturilor. Se utilizeaza asemenea vaporizatoare și pentru temperaturi negative, de exemplu în cazul păstrarii produselor alimentare semipreparate sub formă congelată, dar la temperaturi negative, este mai puțin importantă umiditatea aerului.
La construcția vaporizatoarelor de acest tip, pentru temperaturi pozitive (peste 2°C) se utilizează țevi cu aripioare. Coeficientul global de transfer termic este influențat de distanța dintre aripioare, dimensiunile acestora și numărul de rânduri de țevi pe verticală.
La construcția vaporizatoarelor pentru temperaturi negative, se utilizează țevi lise (netede), care permit o decongelare (degivrare) ușoară.
Ambele tipuri de vaporizatoare se pot alimenta cu agent frigorific lichid prin detentă directă sau prin recircularea lichidului. Este important ca lungimile serpentinelor legate în serie să nu fie prea mare, deoarece în acest caz cresc mult pierderile de presiune.
b) Vaporizatoarele cu circulație forțată a aerului
Aceste aparate sunt cele mai raspandite pentru realizarea de puteri frigorifice în domeniul friguluicomercial 10…20 kW, sau industrial până la câteva sute de kW. Există mai multe tipuri de asemenea vaporizatoare:
– baterii de răcire;
– vaporizatoare de plafon;
– vaporizatoare de perete;
– vaporizatoare montate pe picioare.
Schema de curgere a aerului printr-un răcitor de aer cu curgere forțată, asigurată de ventilatoare, este prezentată în Fig.VI.7.29.
Fig.VI.7.29. Schema de curgere printr-un răcitor de aer
Vaporizatoarele echipamentelor de răcire casnice sau comerciale reprezintă o categorie particulară de răcitoare de aer. Din punct de vedere tehnologic, acestea se realizează din plăci de aluminiu presate la cald. În prealabil, pe aceste plăci sunt desenate cu o vopsea specială traseele de curgere ale agentului frigorific. La presare, în zonele vopsite plăcile nu se lipesc.
Ulterior, utilizând ulei sub presiune, zonele vopsite se gonflează și realizează canalele de curgere pentru agentul frigorific.
În Fig.VI.7.30. sunt prezentate câteva modele de vaporizatoare, cu unul sau două nivele de temperatură scazută, pentru frigidere sau congelatoare casnice, respectiv comerciale.
Fig.VI.7.30. Vaporizator cu plăci
1 – intrare agent secundar – lichid; 2 – ieșire agent secundar – vapori; 3, 4 – intrare/ieșire agent primar; 5 – schimbător de căldură cu plăci.
VI.7.5. Vana de expansiune
Acestea reprezintă dispozitive de distribuție cu rolul de regla fluxul de agent frigorific lichid de înaltă presiune în vaporizator și cu rol de a menține o presiune diferențială între partea de joasă și înaltă presiune.
Tubul capilar (Fig.VI.7.31) nu este altceva decât o reducere voluntară a diametrului conductei – diametrul și lungimea sunt calculate experimental în funcție de puterea de răcire a unității, de condițiile de funcționare și de volumul de agent frigorific
Tab.VI.7.1. Avantajele și dezavantajele tubului capilar
Fig.VI.7.31. Tub capilar
Clasificare:
Vana de expansiune termostatică (Fig.VI.7.32) are rolul de menținere a unui grad constant de supraîncălzire pe aspirație la ieșirea din vaporizator.
Vana de expansiune electronică
Fig.VI.7.32. Vană de expansiune electronică
1 – reglaj resor; 2 – resort; 3 – egalizator intern; 4 – etanșare; 5 – diafragmă; 6 – de la condensator; 7 – spre vaporizator; 8 – tub capilar.
VI.7.6. Alte componente
Fig.VI.7.33. Alte componente ale instalației frigorifice
1 – compresor; 2 – condensator; 3 – ventil de laminare; 4 – vaporizator; 5 – rezervor de lichid; 6 – filtru uscător; 7 – acumulator de lichid.
Rezervorul de lichid (Fig.VI.7.34) se găsește între condensator și ventilul de laminare și conține temporar agentul frigorific lichid înainte de a fi transmis către vaporizator sau în caz de intervenție asupra instalației.
Fig.VI.7.34. Rezervor de lichid
1 – conductă de intrare; 2 – conductă de ieșire; 3 – lichid; 4 – vapori; 5 – placă de bază; 6 – corpul rezervorului.
Filtrul uscător (Fig.VI.7.35) elimină umiditatea și particulele infime de corpi străini din agentul frigorific în cursul funcționării.
Fig.VI.7.35. Filtru uscător
1 – intrare agent frigorific; 2 – ieșire agent frigorific; 3 – filtre; 4 – desicant.
Acumulatorul de lichid (Fig.VI.7.36) este instalat între vaporizator și compresor și are rolul de a evita pătrunderea agentului frigorific lichid în compresor.
Fig.VI.7.36. Acumulator de lichid (http://cdn1.shopmania.biz/files/s1/129524980/p/t/0/separator-lichid-42mm~7594340.jpg)
1 – intrare agent frigorific; 2 – ieșire agent frigorific; 3 – corpul acumulatorului; 4 – gură de aspirație pentru retur ulei.
VI.7.7. Țevi și fitinguri utilizate la realizarea instalațiilor frigorifice
Agenții frigorifici din categoria freonilor sunt foarte sensibili. În cantități mici anumite substanțe ca de exemplu rugina, oxizi metalici sunt susceptibile de a afecta stabilitatea freonilor.
Majoritatea metalelor obișnuite ca, oțel, fontă, cupru, aluminiu, alamă, staniu, plumb pot fi folosite în contact cu freonii.
Fig.VI.7.37. Țevi și fitinguri din cupru
Folosirea oțelului inoxidabil sau a nichelului este preferată, dar este foarte costisitoare.
Este interzisă folosirea în contact cu freonii a aliajelor de magneziu, zinc, a oțelului galvanizat și a aluminiului cu un conținut mai mare de 2% magneziu.
Este interzisă alăturarea freonilor de metale reactive ca sodiu, potasiu, bariu etc.
VI.8. Elemente de calcul ale instalațiilor frigorifice
VI.8.1. Dimensionarea IFV cu o treaptă
Schema prezentată în Fig.VI.8.1, prezintă ciclul de funcționare al unei instalații frigorifice.
Fig.VI.8.1. Schema și ciclul de funcționare al IFV într-o treaptă
Prin această instalație se preia căldura de la un corp, reprezentat în schemă prin fluidul ce se răcește în vaporizator, denumit agent intermediar. Corpul ce se răcește va fi denumit mediu răcit. Pentru preluarea căldurii de la mediul răcit se utilizează un agent frigorific, care în urma acestui proces vaporizează. Vaporii de agent frigorific sunt aspirați de compresor și comprimați adiabatic până la o presiune finală dictată de temperatura mediului de răcire a condensatorului. Dacă mediul de răcire are o temperatură scăzută, presiunea de refulare a vaporilor va fi scăzută și invers. Procesul teoretic de comprimare este un proces adiabatic, fără schimb de căldură între vapori și pereții cilindrului. Vaporii refulați de compresor pătrund în condensator, unde se răcesc și apoi condensează, cedând căldura mediului de răcire, ce poate fi apă recirculată de turn, apă de la rețeaua publică, apă de puț sau aerul exterior. Lichidul rezultat este colectat în rezervorul de lichid, evitând astfel înecarea cu lichid a condensatorului și deci neutilizarea întregii suprafețe de schimb de căldură a acestuia. La instalațiile de puteri frigorifice mici și medii condensatorul îndeplinește și rolul de rezervor de lichid. Din rezervorul de lichid, agentul frigorific se răcește în subrăcitor până la temperaturi inferioare temperaturii de saturație, corespunzătoare presiunii sub care se află lichidul. Subrăcirea face ca puterea frigorifică realizată de instalație, la circulația aceluiași debit de agent, să fie mai mare decât la instalația fără subrăcire.
Introducerea subrăcirii este dictată de considerente tehnico-economice, de disponibilul de mediu de răcire sub aspectul debitului și al temperaturii, dacă creșterea eficienței frigorifice a instalației compensează creșterea cheltuielilor pentru investiții și exploatare legate de utilizarea subrăcitorului.
Subrăcitorul poate fi încadrat în condensator, printr-o supradimensionare corespunzătoare a
ultimului.
Lichidul trece apoi printr-un ventil de reglaj, care are rolul de a reduce presiunea și temperatura lui până la valorile corespunzătoare procesului ce are loc în vaporizator și astfel procesul se reia.
Procesele se desfășoară între două nivele de presiune: p0, de vaporizare și pc, de condensare.
Pentru determinarea celor două nivele de presiune trebuie cunoscută temperatura de vaporizare t0, și de condensare, tc. Se pleacă de la valori cunoscute pentru temperatura apei la intrare, respectiv ieșire din condensator (tai, tae) și pentru temperatura mediului răcit la ieșirea din vaporizator (tre).
Procesele funcționale, după cum rezultă din figura 3, sunt:
– comprimarea izentropică 1’’ – 2s în compresorul Cp de la p0 și T0 până la pc, T2s; depășirea temperaturii de condensare la refularea vaporilor din compresor (T2s > TC) este consecință a deplasării procesului de comprimare din domeniul umed, în cel supraîncălzit.
– răcirea izobară 2s – 2’’, urmată de condensarea izobar-izotermă 2’’–3, în condensatorul Cd apoi subrăcirea 3 – 3’’
– laminarea 3’’ – 4 în ventilul de laminare VL determină scăderea presiunii și temperaturii de
la pC, Tc până la p0, T0
– vaporizarea izobar-izotermă 4-1 în vaporizator urmată de supraîncălzirea vaporilor 1-1’’.
Diagramele de variație a temperaturii în condensator, respectiv vaporizator, sunt prezentate în Fig.VI.8.2. Pentru a exista transfer de căldură de la mediul răcit la agentul frigorific, respectiv de la agent la apa de răcire, trebuie să existe o diferență minimă de temperatură între cele două fluide, adică:
Δtv = Δtc = 3…5°C.
Fig.VI.8.2. Diagramele de variație a temperaturii la: a) vaporizator; b) condensator.
VI.8.2. Exemplu de calcul
Se prezintă un exemplu de calcul al unei instalații frigorifice cu amoniacc (R717), cu parametrii în regim normal de funcționare -10 °C/+30 °C. Aceasta dezvoltă o putere frigorifică de 100 kW. Se consideră că atât compresia, cât și detenta agentului frigorific se realizează perfect izentropic și izoentalpic. Supraîncălzirea vaporilor aspirați de compresor este de +10 C, iar subrăcirea agentului frigorific în stare lichidă, la ieșirea din ventilul de laminare, atinge termperatura de +25 C.
Supraîncălzirea și subrăcirea agentului frigorific sunt utilizate pentru decalarea la dreapta a punctului 1, respectiv la stânga a punctului 4. Acest decalaj permite mărirea producției frigorifice, deoarece aceasta este direct proporțională cu h1 – h2. De asemenea, supraîncălzirea asigură o bună funcționare a compresorului, evitând prezența agentului frigorific sub formă lichidă.
De asemenea, se consideră că schimbarea de fază și temperatură a fluidului caloportor are loc în întregime în interiorul schimbătorului de căldură.
Se realizează schița instalației frigorifice (Fig.VI.8.3) și se trasează ciclul frigorific pe diagrama Mollier a agentului frigorific R717 – Fig.VI.8.4. Se determină corespondența între cele două scheme.
Fig.VI.8.3. Schema instalației frigorifice cu identificarea proceselor de pe diagrama Mollier
1-2 – comprimare izentropică; 2-3 – răcire izobară; 3-4 – laminare; 4-1 – vaporizare
JP – joasă presiune; IP – înaltă presiune.
Fig.VI.8.4. Diagrama Mollier a agentului frigorific R717
Fig.VI.8.5. Ciclul frigorific al instalației studiate
Rezultatele cu presiunile, temperaturile, entalpiile și conținutul de vapori în diferite puncte ale ciclului frigorific se centralizează în tabel de calcul Tab.VI.8.1.
Tab.VI.8.1. Parametrii agentului în timpul ciclului frigorific
Se determină mărimile caracteristice ale instalației frigorifice:
– debitul masic de agent frigorific;
– puterea mecanică teoretică a compresorului;
– puterea mecanică reală a compresorului;
– coeficientul de performanță (COP) teoretic și real al instalației;
– eficacitatea raportată la ciclul Carnot al mașinii.
Producția frigorifică masică Qf este egală cu variația de entalpie a amoniacului între intrarea și ieșirea din vaporizator, respectiv h1 – h2, valori ce pot fi citite de pe diagrama Mollier:
[kJ.K-1]
Știind puterea frigorifică brută a instalației Qo = 100 kW, se poate calcula debitul masic de fluid:
=>
Lucrul mecanic teoretic Wth furnizat de compresor este egal cu variația de entalpie a agentului frigorific între intrarea și ieșirea acestuia.
Așadar, puterea mecanică teoretică Pth a compresorului este:
Puterea mecanică reală a compresorului este:
, iar
Randamentul:
=>
Coeficientul de performanță (COP) teoretică (Mollier) se determină cu relația:
Coeficientul de performanță (COP) real al instalației se determină cu relația:
Randamentul, r, prin raportare la ciclul Carnot al mașinii, respectiv la eficacitatea maximă a mașinii reversibile care funcționează la aceleași temperaturi:
Tf = -10 °C
Tc = +30 °C
Eficacitatea ciclului Carnot este:
Prin urmare,
Puterea calorifică masică, Qc, este egală cu variația de entalpie a agentului frigorific între intrarea și ieșirea din condensator, respectiv h2 – h3, care poate fi determinată din diagrama Mollier:
[kJ.K-1]
Puterea calorifică evacuată de condensator se determină astfel:
[kW]
În Fig.VI.8.6. sunt prezentate etapele calcul pentru dimensionarea unei instalații frigorifice.
Fig. VI.8.6. Etapele de calcul pentru dimensionarea instalațiilor frigorifice
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Capitolul Vi Frig August 2017 Final [309192] (ID: 309192)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.