Imbunatatirea Eficientei Energetice a Masinii Frigorifice cu Absorbtie Nh3 H2o cu Putere Mica

Politehnica

Imbunatatirea Eficientei Energetice a Masinii Frigorifice cu Absorbtie Nh3 H2o cu Putere Mica

Byadmin ianuarie 1, 2024

Îmbunătățirea eficienței energetice a mașinii frigorifice cu absorbție

NH3-H2O cu putere mică

Improving the energy efficiency of absorption refrigerating machine with low power NH3-H2O

CUPRINS

Lista de abrevieri și notații

Introducere

Scurtă istorie a frigului

Importanța și necesitatea subiectului lucrării

Contextul internațional, european si românesc

Stadiul actual in domeniul mașinilor frigorifice

Domenii de utilizare a frigului.

Cererea(Necesarul, Cerința) de energie pentru racire

Tipuri de instalații frigorifice

Răcirea cu ajutorul energiei solare

Mașini frigorifice cu absorbție/adsorbție – IFAS

Mașina frigorifică cu absorbție NH3-H2O

Avantajele sistemului studiat

Obiectivele lucrării

Baze teoretice

3.1 Procesele termodinamice din cadrul sitemului analizat

3.2 Modelarea matematică a proceselor

3.3 Scheme logice folosite

3.4 Programul de cercetare

Cercetări numerice și experimentale

Calculul matematic

Validarea programului de calcul

Măsurarea și achiziționarea datelor experimentale

Calculul coeficientului de performanță

Optimizarea elementelor componente, calcule de dimensionare

Utilizarea absorbitorului cu microcanale

Utilizarea schimbatorului de caldura in placi ca și generator

Răcirea cu aer a condensatorului cu microcanale

Calculul coeficientului de performanță

Sumarul calculelor si cercetarilor

Concluzii, contribuții originale, perspective de cercetare

Concuzii finale

Contribuții originale

Perspective de cercetare

INTRODUCERE

Scurtă istorie a frigului

Conceptual vorbind frigul a făcut parte din viața oamenilor încă din cele mai vechi timpuri când pentru a se proteja de căldura de afară se refugiau în peșterile răcoroase. Treptat pentru îmbunătățirea condițiilor de viață și a confortului au început să conserve alimentele în zăpadă sau gheață iar mai târziu foloseau gheața pentru răcirea băuturilor. Dovezile datează dinainte de primul mileniu î.e.n în China. De asemenea grecii și romanii depozitau cantități mari de zăpadă în gropi săpate în pământ și izolate cu așchii de lemn și paie mai târziu folosind și pluta. Dovezi ale frigului artificial găsim în Egipt și India unde foloseau principul evaporării pentru răcirea apei folosind unelte tip evantai cu formă circulară sau de frunză de palmier. Atunci când un lichid vaporizează repede acesta se extinde rapid. În expansiune energia cinetică a moleculelor de vapori crește brusc absorbind energia din împrejurimile imediate ale vaporilor, prin urmare aceste împrejurimi sunt răcite. De asemenea in India se folosea și principiul răcirii prin radiație. Arta de a face gheață prin răcire nocturnă a fost desăvârșită în India. Prin această metodă gheața era făcută prin menținerea unui strat subțire de apă într-o tavă de lut de mică adâncime și apoi expunând tava la cerul nopții. Fân compactat de circa 0,3 m grosime era utilizat ca izolație. Apa pierde căldură prin radiație către stratosferă, care are valoarea în jurul valorii de -55 °C și la primele ore ale dimineții apa din tăvi îngheață. Această metodă de producerea gheții a fost foarte populară în India.

Primele sisteme hidraulice pentru răcirea aerului din camere au fost folosite de romani care nu numai ca aduceau apă de la zeci de kilometrii în orașe prin intermediul apeductelor spectaculoase dar foloseau această apă, circulând-o prin pereții camerelor, la răcirea încăperilor. Într-adevăr se pare că numai cetățenii bogați își puteau permite luxul de a instala aceste sisteme de recirculare inteligente.

De asemenea în China sec. II e.n. se inventează primul ventilator manual ce avea circa 3m în diametru de către Ding Huan, 500 ani mai târziu puterea hidraulică a apei era folosită pentru antrenarea ventilatoarelor din Sala Rece a Împăratului Dinastiei Tang, Xuanzong, ce ara dotată și cu fântâni arteziene.

Un alt sistem antic folosit mai ales în zona Orientului Apropiat este cel constituit din turnurile de ventilare cu sisteme de obturare ce favorizează extracția aerului cald prin partea superioară și introducerea aerului rece prin deschideri în partea de jos a clădirii, de asemenea aerul introdus era trecut pe deasupra unor piscine astfel încât acesta era răcit suplimentar prin folosirea principiului de evaporare a apei.

Urmatoarea fază intermediară este reprenzentată de răcirea cu ajutorul sărurilor. Dizolvarea acestora în apă se face cu absorbție de căldură cauzând scăderea temperaturii acesteia (proces endoterm). S-au folosit săruri cum ar fi nitrat de sodiu sau de potasiu dar și sarea de clorură de sodiu (NaCl) care poate produce temperaturi de până la -20 ° C și clorură de calciu (CaCl2) care poate produce temperaturi până la – 50 ° C în recipiente bine izolate. Astfel din anul 1550 s-au folosit toate aceste săruri cu scopul de a răci vinul iar la începutul sec. XVII băuturile răcoritoare au devenit foarte populare în Europa mai ales în Spania, Franța și Italia.

Este general acceptat că istoria frigului artificial începe în 1748 când William Cullen demonstrează la Universitatea din Glasgow producerea frigului artificial prin evaporarea eterului etilic în vacuum parțial și în prezența apei care a înghețat.

Fară a intra în detalii, este util de arătat câteva etape în evoluția frigului artificial, în cele peste 2 secole cât au trecut de la începuturile lui dar cu referire în special la frigul obținut cu ajutorul mașinilor frigorifice cu absorbție utilizând NH3 dar și la cele cu compresie mecanică. Acestea pot fi sintetizate astfel:

U.F. Clouet și G. Monge au lichefiat SO2 în 1780 în timp ce Van Marum și Van Troostwijk au lichefiat NH3 în 1787, reprezentând primii pași spre racirea prin vaporizare.

În 1805, Oliver Evans a proiectat prima mașină frigorifică ce folosea vapori în loc de lichid. Aceasta nu a fost și construită dar în 1834, Jacob Perkins și apoi în 1942, John Gorrie au proiectat și executat o mașină asemănatoare cu cea proiecată de O. Evans.

Cercetările sistematice asupra lichefierii gazelor ale lui M. Faraday, a lichefiat pentru prima dată NH3 producând frig, începând cu anul 1823, ca și cercetările de termodinamică care încep în anul 1824 prin activitatea lui S. Carnot și se extind între anii 1842-1852, au fost hotaratoare în realizarea primelor utilaje frigorifice.

Inventarea în anul 1834 a mașinii frigorifice cu compresie de vapori lichefiabili de către J. Perkins și pusă la punct de J. Harrison, în 1856, ce folosea eter, alcool și amoniac, este consecința directă a cercetărilor menționate anterior precum și realizării pompei de vid de către Guericke în anul 1672.

Edmond Carré a dezvoltat prima mașină cu absorbție în 1850 ce utiliza apă și acid sulfuric iar fratele lui, Ferdinand Carré, în anul 1859, folosește ca și agenți frigorifici apa și amoniacul, care cunoaște curând o dezvoltare industrială, ca și inventarea mașinii frigorifice cu compresie si destindere de aer, de către Kirk în anul 1862.

Inventarea mașinii de fabricat gheață prin vaporizarea apei în vid, care intră în practică comercială în anul 1866 cu aparatul lui Edmond Carré, poate fi considerată ca un punct de plecare pentru o altă etapă în producerea frigului artificial. Spre deosebire de mașina lui Cullen din anul 1755, care funcționa cu o pompă de vid, aparatul lui E. Carré funcționa si cu absortia vaporilor de apa de catre acidul sulfuric, aflat intr-un recipient anume.

Cercetarile de termodinamica initiate de S. Carnot din anul 1824, care sunt aprofundate de C.Linde incepand din anul 1870, ca si studiul asupra fluidelor frigorigene dau un nou avant realizarilor in producerea frigului artificial.

In anul 1876, francezul Charles Tellier instaleaza un agregat frigorific cu compresie, patentat în 1864, pe un vapor, utilizand dimetil eter, cu care a facut primele transporturi de carne intre Argentina si Franta.

Intrarea in actiune a altor fluide frigorifice-in locul eterului etilic si metilic, fluide cu pericol de explozie, ca dioxidul de carbon, dioxidul de sulf si amoniacul, hotarasc aparitia primului compresor cu amoniac realizat in anul 1871 realizat de către David Boyle în San Francisco; este momentul din care incepe sa se dezvolte cu prioritate masinile cu compresie de vapori lichefiabili, în special cu amoniac.

Datorită refrigerării, fabricile de bere au fost în măsură să producă uniform pe tot parcursul anului. Unul dintre primele tipuri de mașini frigorifice (o mașină de absorbție) a fost folosită de către S. Liebmann Sons Brewing Company în Brooklyn, New York, în 1870. Aproape fiecare fabrică de bere din S.U.A. au avut mașini frigorifice până în 1891.

1878 – A. Mouchot și asistentul său Abel Pifre au prezentat motorul Mouchot la Expoziția Universală de la Paris și a câștigat o medalie de aur la clasa 54 pentru lucrările sale, cea mai notabilă fiind producția de gheață folosind căldura solară obținută cu ajutorul unui concentrator solar.

Primul aparat de aer condiționat electric a fost inventat de Willis Haviland Carrier în anul 1902. El a fost, de asemenea, cunoscut ca tatăl aerului condiționat modern.

În 1912 E. Altenkirch și B. Tenckhoff propun spre patentare prima mașină frigorifică prin absorbție apă-amoniac în mai multe trepte, patent obținut în 1916.

În industria ambalării cărnii au început să se folosească de asemenea mașinile frogorifice cu compresie a amoniacului astfel încât până în 1914 cei mai mari producatori din SUA foloseau toți mașinile frogorifice în depozite cât și în transport.

În 1922, Balzar von Platen și Carl Munters, doi studenți de la Institutul Regal de Tehnologie din Stockholm au inventat un sistem cu trei fluide bazat pe principiul absorbției, care nu are nevoie de pompă. Un fel de pompă cu bule pe bază de căldură a fost utilizată pentru circulația soluției bogate și slabe, iar hidrogenul a fost folosit ca un gaz necondensabil pentru a reduce presiunea parțială a NH3 în evaporator. Sistemele de răcire Platen-Munters sunt încă utilizate pe scară largă în anumite aplicații de nisă, cum ar fi camerele de hotel, deoarece sunt silențioase.

Fig. 5 Schema sistemului de răcire prin absorbție cu trei fluide fără pompă[6]

1925-1927 sunt anii când frigiderele casnice cu absorbție produse de către Electrolux devin populare mai întâi în Suedia și apoi în U.S.(Electrolux-Servel). Acestea sunt produse în masă până în 1950.

Descoperirea agenților frigorifici de tip freon în 1928 de către Thomas Midgley, Jr., presupus a fi un agent frigorific mai sigur pentru oameni în comparație cu agenții toxici și inflamabili, cum ar fi amoniacul, propanul și clorura de metil declanșează inventarea și folosirea sistemelor de aer condiționat pentru aplicații rezidențiale, industriale și comerciale. Din păcate abia în 1985, după apariția găurii din stratul de ozon de deasupra Antarcticii, oamenii au realizat că utilizarea de CFC și HCFC frigorifici cauzează epuizarea stratului de ozon din atmosferă, aceasta fiind cauza pătrunderii razelor nocive (ultraviolete) de la Soare (Din 1974, Sherwood Rowland si Mario Molina au prezis că gazele de agent frigorific clorofluorocarbon vor ajunge la stratosfera de mare înălțime și vor deteriora mantaua de protecție, stratul de ozon – O3).

Albert Einstein și Leo Szilard au contribuit la evoluția pompei cu absorbție, de asemenea. Între anii 1927-1933 au publicat circa 17 patente, cele mai multe în Germania dar și câteva în Anglia și SUA. Toate folosesc modelul Platen si Munters dar utilizează combinații diferite de fluide însă NH3 și H2O sunt folosite mereu. Cel de-al treilea fluid folosit a fost: butanul sau bromura de metil, etc.

Secolul XX a însemnat o evoluție majoră pentru mașinile frigorifice cu absorbție, studiinduse și realizânduse diferite modele comerciale și experimentale de mai mulți producători majori precum Carrier, Trane, York, Kawasaki Heavy Industry Co., Arklgenților frigorifici de tip freon în 1928 de către Thomas Midgley, Jr., presupus a fi un agent frigorific mai sigur pentru oameni în comparație cu agenții toxici și inflamabili, cum ar fi amoniacul, propanul și clorura de metil declanșează inventarea și folosirea sistemelor de aer condiționat pentru aplicații rezidențiale, industriale și comerciale. Din păcate abia în 1985, după apariția găurii din stratul de ozon de deasupra Antarcticii, oamenii au realizat că utilizarea de CFC și HCFC frigorifici cauzează epuizarea stratului de ozon din atmosferă, aceasta fiind cauza pătrunderii razelor nocive (ultraviolete) de la Soare (Din 1974, Sherwood Rowland si Mario Molina au prezis că gazele de agent frigorific clorofluorocarbon vor ajunge la stratosfera de mare înălțime și vor deteriora mantaua de protecție, stratul de ozon – O3).

Albert Einstein și Leo Szilard au contribuit la evoluția pompei cu absorbție, de asemenea. Între anii 1927-1933 au publicat circa 17 patente, cele mai multe în Germania dar și câteva în Anglia și SUA. Toate folosesc modelul Platen si Munters dar utilizează combinații diferite de fluide însă NH3 și H2O sunt folosite mereu. Cel de-al treilea fluid folosit a fost: butanul sau bromura de metil, etc.

Secolul XX a însemnat o evoluție majoră pentru mașinile frigorifice cu absorbție, studiinduse și realizânduse diferite modele comerciale și experimentale de mai mulți producători majori precum Carrier, Trane, York, Kawasaki Heavy Industry Co., Arkla Industries Inc.(acum Robur SpA), Yazaki. Astfel producția de mașini frigorifice cu absorbție conduse de energia combustibilului gazos a crescut constant până în 1975-1980 dar odată cu crizele energetice din 1973-1979 i-au făcut pe americani să se reorienteze catre mașinile frigorifice electrice. Spre deosebire de aceștia Asia și Japonia au continuat progresul și în industria mașinilor frigorifice cu absobție ajungând lideri mondiali la momentul actual.

De asemenea după crizele energetice și protocoalele cu referire la reducerea consumurilor energetice cât și a reducerii emisiilor de CO2, multe firme s-au reorientat și au dezvoltat mașini frigorifice cu absorbție funcționând cu energie termică reziduală(abur), gaze arse sau energie solară. Printre acestea enumerăm producători majori: Broad Air Conditioning Co Ltd., Carrier Corporation, Century Corporation, EAW Energieanlagenbau GmbH, Hitachi Appliances Inc., Johnson Controls, LG Air Conditioning (Shandong) Co., Ltd., Shuangliang Eco-Energy Systems Co., Ltd., Robur Group, Thermax Inc., Trane Inc., and Yazaki Energy Systems Inc dar și producători noi ce au dezvoltat în ultimi ani prototipuri de instalații frigorifice de puteri mici (<20kW) cum ar fi: Sonnenklima, Sortech, EAW, Rotartica, Climatewell, Pink.

1.2 Importanța și necesitatea subiectului lucrării

Descoperirea și folosirea pe scară largă a combustibililor fosili în ultimile doua secole a dus la o dezvoltare rapidă si majoră a industriei globale. Odată cu această dezvoltare gradul de poluare al atmosferei a crescut ceea ce are diferite implicații pe termen lung și scurt, creșterea temperaturii medii terestre datorat efectului de seră prin intermediul gazelor eliberate în atmosferă în urma arderii combustibililor cum ar fi CO2, CH4, N2O, creșterea cantităților de ploi acide ce duce la distrugerea nu numai a vegetației dar și construcțiilor mai ales a monumentelor deoarece acizii reacționează cu CaCO3, creșterea cantităților de materiale radioactive din atmosferă, toriu și uraniu, prin arderea combustibililor fosili. De asemenea exploatarea acestor zăcăminte de combustibili sunt cauza principală în distrugerea mediului și ecosistemelor locale.

Fig. 1 Predicție încălzirea globală(Robert A. Rohde / Global Warming Art)

Creșterea cererii de energie a generat si va genera o creștere a folosirii acestor combustibili poluatori dar și o creștere a prețului acestora odata cu micșorarea rezervelor diponibile.

Fig. 2 Cresterea emisiilor de carbon in ultimii 200 ani

(Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, United States Department of Energy, Oak Ridge, Tenn., U.S.A.)

Prin schimbul natural dintre atmosferă, biosferă și oceane pot fi absorbite aproximativ jumatate din emisiile actuale ale omenirii, adică circa 11 miliarde de tone de CO2 (sau 3 miliarde de tone echivalent carbon). Aceasta a condus la o creștere permanentă a concentrației de CO2 din atmosferă de la 280 de ppm înainte de dezvoltarea industrială la 390 ppm la sfârșitul anului 2010 și este în creștere, conform Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC – Grupul interguvernamental de experți în evoluția climei). [5]

Toate aceste motive de mai sus au făcut ca oamenii sa se gândească la alte surse de energie, mai ieftine pentru a satisface cererea de energie în continuă creștere. Dacă o parte s-au orientat catre alte surse de energie ce se vor consuma și ele, energia nucleară, cea mai importantă mișcare e cea care folosește surse de energii regenerabile(SER). Având în vedere aceste date, se impune tot mai mult utilizarea surselor regenerabile de energie în favoarea celor bazate pe combustibili fosili pentru a se reduce substanțial emisiile de CO2 și de alți agenți poluanți. De asemenea, utilizarea surselor regenerabile de energie mărește independența economică a utilizatorilor care dezvoltă asemenea surse de energie. Sursele regenerabile de energie (SRE) au avantajul stabilității lor în timp și a impactului neglijabil asupra mediului ambiant, ele neemițând gaze cu efect de seră.

Dintre sursele de energie “regenerabile” fac parte și cele care sunt practic inepuizabile. Din SER fac parte: energia solară, energia apei (hidraulică, maree, potențial osmotică), energia eoliană, energia geotermică, energia biomasei. În condițiile concrete din România, în balanța energetică se iau in considerare urmatoarele tipuri de surse regenerabile de energie:
– energia solară – utilizată la producerea de caldură prin metode de conversie pasivă sau activă sau la furnizarea de energie electrică prin sisteme fotovoltaice;
-energia eoliană – utilizată la producerea de energie electrică cu grupuri aerogeneratoare;
– hidroenergia – centrale hidroelectrice

-biomasa – provine din reziduuri de la exploatări forestiere si agricole, deseuri din prelucrarea lemnului si alte produse; biogazul este rezultatul fermentării in regim anaerob a dejectiilor animaliere sau de la statiile de epurare orăsenesti;
-energia geotermală – energia inmagazinată in depozite si zăcaminte hidrogeotermale subterane, exploatabilă cu tehnologii speciale de foraj si extractie.

1.3 Contextul internațional, european și românesc

Utilizarea SER a cunoscut un prim avânt dupa crizele petroliere din 1973 si 1980, dar a cunoscut o stagnare de circa 12 ani dupa contra șocul petrolier din 1986. Din 1988 organisme și organizații internaționale au propus ca țările puternic industrializate să își reducă emisiile de CO2 cu 20% până în 2005 comparativ cu 1988. Abia dupa încheierea protocolului de la Kyoto din 1997, țările dezvoltate au început să-și propună programe extrem de ambițioase. Obiectivele stabilite sunt 20-20-20, adică reducerea emisiilor de CO2 cu 20% până 2020 comparativ cu 1990, creșterea cantității de energie regenerabilă produsă și folosită până la 20% (pondere mărită ulterior prin Directiva 2009/28/CE la 24%) și o creștere a eficienței energetice cu 20%, chiar dacă unele țări au o pondere mai mică în producerea de energie regenerabilă(10% Malta) aceasta se echilibrează cu ajutorul altor țări mult mai dezvoltate și avansate cu ținte mult mai ridicate(49% Suedia). Prima perioada de angajament 2008-2012 la care au participat 37 de țări industrializate si Comunitatea Europeana(15 țări la momentul semnării) s-a încheiat cu conferința de la Doha, Qatar. A doua perioadă de angajament a început la 1 ianuarie 2013 și se va incheia în 2020. La acest nou angajament s-a raliat si Australia.

Fig. 3 Consumul mondial de energie 2011 in milioane tone echivalent petrol

(BP Statistical Review of World Energy 2012)

Fig. 4 Repartiția tipurilor de energii folosite în 1973 si 2010

(2012 Key World Energy Statistics from IEA)

Actualitatea temei proiectului de cercetare este susținută de preocupările la nivel european și național de creștere a performanței energetice în mediul construit, reglementate din punct de vedere legislativ prin: Directiva 2002/91/EC privind eficiența energetică a clădirilor, emisă de Parlamentul European și Consiliul Uniunii Europene în 16.12.2002 [1], transpusă în legislația românească prin Legea 372/2005 privind performanța energetică a clădirilor [3] și recent reformată prin Directiva 2010/31/EU privind eficiența energetică a clădirilor, emisă de Parlamentul European și Consiliul Uniunii Europene în 19.05.2010 [2]. La 16 ianuarie 2012, Comisia Europeană a emis "Regulamentul delegat al Comisiei (UE)" de completare a Directivei 2010/31/UE a Parlamentului European și a Consiliului privind performanța energetică a clădirilor, prin stabilirea unui cadru metodologic comparativ de calcul al nivelurilor de cost optime ale cerințelor minime de performanță energetică a clădirilor și a elementelor clădirilor.

De asemenea prin Planul Național de Acțiune în Domeniul Energiei din Surse Regenerabile (PNAER) –2010 se dau procentele estimate de utilizare a surselor regenerabile de energie din energia consumată pentru încălzire și răcire, pentru energia electrică, pentru transporturi, precum și ponderea la energia totală consumată la nivel național 2005-2020, care este aceeași ca cea

asumată, adică 24%. [24]

Utilizarea surselor regenerabile de energie la energia consumată pentru încălzire și răcire, pentru energia electrică, pentru transporturi, precum și ponderea la energia totală consumată la nivel național, 2005-2020, conform PNAER:

STADIUL ACTUAL IN DOMENIUL MAȘINILOR FRIGORIFICE

Domenii de utilizare a frigului artificial.

Răcirea unui corp sau a unui spațiu presupune menținerea temperaturii acestora sub temperatura mediului ambiant prin evacuarea continuă a căldurii către mediul ambiant.

Procesul de racire al corpurilor sau spatiilor poate fi natural (frig natural) sau artificial (frig artificial). Obtinerea frigului pe cale naturala se realizeaza utilizand gheata sau amestecuri frigorifice. Obtinerea frigului artificial presupune utilizarea unor masini si instalatii care sa efectueze procesele frigorifice, ceea ce confera avantaje fata de utilizarea frigului natural: posibilitatea de racire a corpurilor pana la temperaturi mult sub temperatura ambianta, continuitatea proceselor de racire, posibilitatea obtinerii frigului in orice perioada a anului indiferent de conditiile climatice. Instalațiile frigorifice și pompele de căldură, sunt mașini termice care au rolul de a prelua căldura de la un mediu având temperatura mai scăzută și de a o ceda unui mediu având temperatura mai ridicată, așa cum se observă și pe schema energetică din figura 6. [4]

Fig. 6 Schema energetică a instalațiilor frigirifice și a pompelor de căldură[4]

Funcție de nivelul de frig obținut pe cale artificială se disting:

pompe de căldură (+ 40 … + 100)°C;

in tehnica condiționării aerului (± 0…+ 5)°C;

domeniul frigului industrial(-200 … ± 0)°C

– instalații de frig adânc (sau criogenice), limita de separare fiind in jurul valorii de 120 K(–153°C-temperatura normala de fierbere a metanului) dupa unii autori, 80 K(–193°C-temperatura normala de fierbere a aerului) sau chiar 77K(–196°C-temperatura normala de fierbere a azotului) după alți autori.[4]

Una dintre cele mai scăzute temperaturi realizate artificial pe Pământ, a fost realizată în 1967 la “Naval Research Laboratory”, având o valoare sub 10-6K.[4]

Importanta studierii instalațiilor frigorifice este legata de diversitatea (vastitatea) domeniilor in care este utilizat frigul artificial:

– în industria chimică, in procesele de fabricație a multor substanțe uzuale, agenții frigorifici realizând evacuarea caldurii de reacție sau dizolvare, separarea cristalelor de săruri din soluție, lichefierea gazelor, separarea amestecurilor de gaze si fluide. Se folosește frigul moderat, dar si adânc pentru separarea si epuizarea unor substanțe în stare gazoasa la temperaturi de pana la – 200°C;

– în industria petrolului si gazelor naturale, in procesul de distilare si rectificare;

– în metalurgie, pentru procese avansate în tratamente termice la temperaturi joase (–80°C – 190°C), utilizând băi de azot lichid;

– la funcționarea reactoarelor atomice, în producerea „apei grele”;

– în electrotehnică, la transportul energiei electrice prin cabluri criogenice sau criorezistive, răcite cu azot lichid sau supraconductoare, răcite cu heliu lichid, la răcirea componentelor electrotehnice și electronice;

– în exploatările miniere, prin înghețarea apei conținută de pământul din jurul galeriilor, pentru evitarea infiltrațiilor și consolidarea temporară a terenurilor, pentru înghețarea solului în vederea executării unor galerii;

– în medicină, pentru răcirea locală în scop de anestezie în intervențiile chirurgicale sau pentru extirparea unor tumori (criochirurgie);

– Industria constructoare de mașini, pentru tratamente termice, asamblări prin fretaj, prelucrări pretențioase prin așchiere etc.;

– Construcții, în vederea înghețării solului, răcirii componentelor betonului înainte de turnare, etc.;

– Laboratoare de cercetări, pentru studiul comportării unor materiale sau utilaje în

condiții de temperatură scăzută

– în aviație si cosmonautică, pentru alimentarea cu oxigen a personalului uman

– în industria alimentară, răcirea si congelarea unor produse industriale în vederea depozitării si conservării la temperaturii de până la –40°C. Procesele de liofilizare (criodesicare), adică uscarea produselor prin congelare și eliminarea umidității prin sublimarea gheții în vid, au deosebita nevoie de frig până la temperaturi de –80°C;

Tot industria alimentară, necesită temperaturi scăzute:

– în rețeaua comercială;

– în depozite de produse alimentare;

– în procese tehnologice;

Cererea (Necesarul, Cerința) de energie pentru răcire.

Temperatura interioară este parametrul esențial de care depinde confortul termic. Plajele

de valori acceptabile pentru temperatura interioară de calcul sunt date în tabelul de mai jos,

conform [23], în funcție de tipul de clădire și de ceilalți parametrii care influențează confortul

termic- îmbrăcămintea și activitatea ocupanților:

* Pentru răcire, temperatura aerului se va alege din plaja de valori din tabel, astfel încât diferența

dintre temperatura exterioară și cea interioară de calcul să nu depășească 10oC ; în cazul în care

valorile maxime indicate în tabel sunt mai mici, se aleg valorile din tabel.

Tabelul 1.1: Temperatura interioară de calcul pentru climatizare de confort

Pentru a asigura temperatura dorită, spațiul respectiv trebuie climatizat. Climatizarea este

procesul prin care în interiorul încăperilor se asigură o temperatură controlată a aerului,

indiferent de procesele termice din interiorul sau din exteriorul clădirii. Climatizarea presupune

încălzirea și răcirea controlată a spațiilor. Prin climatizare se urmărește realizarea confortului

termic al ocupanților din încăperi.

Confortul termic depinde și de umiditatea aerului interior, care poate fi controlată prin

climatizare, dar nu este neapărat necesar. Conform normativului I5 [23], controlul umidității se realizează numai în clădiri în care tipul activității necesită acest fapt (exemplu: muzee, laboratoare speciale, anumite săli din spitale, hale cu diferite procese tehnologice), sau la cererea scrisă a beneficiarului, deoarece necesită un consum de energie suplimentar. Pentru clădirile care nu necesită controlul umidității, instalația de climatizare se dimensionează pentru o umiditate de

50% [23].

Consumul de energie la nivel mondial pentru răcire și de aer condiționat este în creștere rapidă. De obicei chillerele cu compresor electric(unitatile tip split) au consumul maxim de energie în perioada de vârf din timpul verii atunci cand sarcina de răcire e maximă. În ultimii ani, chiar și în Europa, aceasta cerere de energie duce în mod regulat la supraîncarcarea retelelor de electricitate. Consumul de energie electrică a crescut în medie cu 30% în ultimele două decenii, în toate țările europene. O parte din creșterea consumului de energie electrică trebuie să fie
atribuită cereri de răcire. Prin urmare, a fost efectuată o estimare a cererii de energie electrică asociată cu răcirea de confort bazată pe variația lunară a cererii de energie electrică. Raportul este pozitiv în cazul în care cererea de energie electrică este mai mare în luna iulie față de luna aprilie. Un raport ridicat implică faptul că există un vârf în cererea de energie electrică cauzată de nevoia răcirii de confort. Luna iulie a fost aleasă ca cea mai calda lună din an în timp ce aprilie este considerată a fi o lună neutră pentru cererea de răcire.

În ultimul deceniu piața de răcire a crescut rapid și se preconizează să continue
să crească la un ritm rapid în jurul 3,14 -3,4% p.a. (Comisia Europeană, DG ENER-2010). Această creștere poate fi explicată datorită mai multor factori: standardul de viață(de trai) fac aceste echipamente de răcire mult mai accesibile din punct de vedere financiar în timp ce standardul de confort face ca suprafața rezidențială să crescă. Pe parcursul anilor 1985-2003 se constată o creștere de 50% a cererii de curent electric care ar putea fi cauzată de cererea tot mai mare de răcire și deținerea de aparate de răcire (conform Ecoheatcool WP2, 2005). În prezent, în jur de 1% din totalul energiei electrice consumate de sectorul rezidențial a UE-27 este consumată pentru răcirea spațiilor (Astrom, 2010). Acest consum electric mai mare va împiedica angajamentele europene privind reducerea emisiilor de CO2 și conduce la necesitatea de investiții de capacitate în această piață. Deoarece nevoia de răcire este în mare parte îndeplinită de utilizarea energiei electrice, noile directive cu privire la clădirile cu eficiență energetică ar trebui să ofere diferite soluții cu o eficiență de răcire ridicată. Chiar dacă se observă o încetinire a creșterii pieței în 2012 se preconizează o revenire la procentul de3,14% până în 2015 (BSRIA in depth studies 2012).

Fig. 7 Piața regională a chillerelor cu compresie mecanica 2011-2012

Fig. 8 Numar estimat al cererii de unitati de racire RAC+PAC din 2006

Tabelul 1.2: Evoluția numărului de unități RAC-PAC 2006-2011(unități-milioane)

Fig. 9 Tendința cererii de aparate de aer condiționat pe plan mondial ( The Japan Refrigeration and Air Conditioning Industry Association April 2013 Vol. 13-02)

Fig. 9 Kuni Takahashi pentru The New York Times – amplitudinea folosirii unităților de aer condiționat folosind ca sursă de enrgie electricitatea

Tipuri de instalații frigorifice.

In tehnica frigului se utilizeaza pentru obtinerea efectului de racire urmatoarele metode[4,9,10,11]:

– transformarile de faza ale agentilor frigorifici (vaporizarea si condensarea);

– desorbtia gazelor si vaporilor – respectiv absorbtia;

– laminarea gazelor si vaporilor;

– destinderea izentropica a gazelor;

– efectul turbionar de separare energetica;

– efectul termoelectric;

– efectul magnetocaloric;

In instalatiile frigorifice de frig moderat, cea mai larga utilizare o are prima din aceste metode: (utilizarea vaporizarii si condensarii), asociata cu laminarea agentului frigorific lichid, aplicata la instalatiile frigorifice cu comprimare mecanica de vapori (IFV), la cele cu absorbtie (IFA) si respectiv la cele cu ejectie (IFE).

In instalatiile de frig adanc, in special pentru lichefierea gazelor, un rol important revine laminarii si destinderii izentrope.

Instalatiile frigorifice se pot clasifica:

a) dupa principiul de functionare:

– instalatii cu comprimare care utilizeaza proprietatile elastice ale gazelor si vaporilor, ce se manifesta prin cresterea temperaturii lor la comprimare si scaderea acesteia in timpul destinderii. Ca sursa de energie, instalatiile cu comprimare utilizeaza energia electrica sau mecanica. Se pot obtine intr-o treapta temperaturi de vaporizare (la sursa de temperatura scazuta) de cca. – 30°C, in functie de agentul frigorific folosit, in doua trepte pana la – 60°C, in cascada – 100°C, in cascade multiple, temperaturi foarte scazute.

– instalatiile cu absorbtie, al caror principiu de lucru este realizarea succesiva a reactiilor termochimice, a absorbtiei agentului de lucrul de catre un sorbant, dupa care urmeaza desorbtia agentului din sorbant. Ca forma de energie, aceste instalatii utilizeaza fluxuri termice reziduale si, in ultimul timp, energia solara. Temperaturile ce se pot atinge variaza in functie de solutiile binare folosite de la –50°C la solutia hidroamoniacala, la temperaturi aflate la nivele de conditionare, in cazul folosirii solutiei de bromura de litiu – apa.

– instalatiile cu jet, utilizeaza energia cinetica a unui jet de vapori sau gaz;

– instalatiile termoelectrice care au la baza efectul Péltiér, permit obtinerea frigului prin utilizarea directa a energiei electrice. Utilizand materiale semiconductoare se pot obtine in cascada temperaturi de –70°C;

– instalatiile magnetocalorice, prin care se obtin temperaturii foarte scazute prin demagnetizarea adiabatica a unor substante de tipul sarurilor paramagnetice;

– instalatii frigorifice cu gaze (IFG) cu sau fara regenerare interna cu sau fara functionare nestationara;

– generatoare turbionare de frig si caldura;

b) dupa tipul ciclului:

– instalatii care functioneaza pe baza unui ciclu inchis (IFV, IFA, unele I.F.G-uri, IFE)

– instalatii care functioneaza pe baza unui proces deschis, agentul de lucru fiind total sau partial extras din instalatie in timpul functionarii, in locul agentului extras este introdusa o noua cantitate. In acest mod functioneaza instalatiile de separare si lichefiere a gazelor, precum si cele folosite pentru congelarea gazelor (zapada carbonica)

c) dupa periodicitate

– instalatii cu functionare continua, in regim stationar (IFV, IFA, IFG, IFE);

– instalatiile cu functionare discontinua, in regim nestationar (unele IFA).

Procedeele de obtinere a temperaturilor scazute se clasifica in 2 categori:

1. Procese cu agent frigorific (pur temodinamice).

2. Procese fara agent frigorific.

1. Procese cu agent frigorific

1.1. In circuit deschis

§ Prin utilizarea ghetii de apa (hidrice);

§ Prin utilizarea ghetii uscate (dioxid de carbon solid);

§ Prin utilizarea ghetii eutectice;

§ Prin evaporarea unor lichide la presiune atmosferica ( in special apa);

§ Prin vaporizarea unor lichide la saturatie la presiunea atmosferica ( agenti criogenici);

§ Prin destindere turbionara de gaze in tuburi Vortex – Ranque ( effect Ranque – Hilsch );

§ Prin destinderea de gaze in tuburi pulsatoare (effect Gifford – Longsworth).

1.2. In circuit inchis – cu vapori

§ Cu comprimare mecanica de vapori;

§ Cu absorbtie ( cu comprimare termo-chimica);

§ Cu ejectie (cu comprimare termica, in ejectoare);

§ Cu resorbtie;

§ Cu difuzie (cu absorbtie si gaz compensator).

1.3. In circuit inchis – cu gaze

§ Prin laminare (efect Joulle – Thompson pozitiv);

§ Prin destindere adiabatica in detentoare.

2. Procese fara agent frigorific

§ Prin efect termoelectric ( efect Peltier);

§ Prin demagnetizarea adiabatica a substantelor paramagnetice;

§ Prin efect Ettinghaus;

§ Prin alte procedee termomagnetoelectrice.

Răcirea cu ajutorul energiei solare.

Obtinerea efectului frigorific (sau caloric) presupune parcurgerea de catre agentul de lucru a unei succesiuni de procese care reprezinta ciclul frigorific (sau al pompei de caldura). Deoarece procesele sau evolutiile reale sunt, in general ireversibile, rezulta ca si ciclurile respective sunt ireversibile. Ciclurile frigorifice si cele ale pompelor de caldura sunt cicluri inversate, adica consumatoare de energie; prin apropierea proceselor reale ireversibile, de procesele ideale, reversibile, gradul de ireversibilitate al ciclului se reduce, astfel ca, realizarea efectului frigorific (sau caloric) presupune un consum din ce in ce mai redus de energie. Acest consum nu poate scade, insa, sub cel corespunzator unui ciclu ideal, compus numai din evolutii reversibile.

Producerea frigului artificial cu ajutorul energiei solare presupune utilizarea radiației solare care transformată cu ajutorul panourilor solare termice sau cu ajutorul panourilor fotovoltaice folosesc diverse cicluri termodinamice sau electrice.

În schema de mai jos sunt clasificate majoritatea proceselor principale ce pot utiliza această energie regenerabila:

Fig. 10 Clasificarea proceselor principale ce folosesc energia solară pentru obținerea frigului artificial [7, 8, 9]

Ciclul Rankine și compresie de vapori presupune producerea de lucru mecanic pe baza căldurii introduse. Acest ciclu stă la baza funcționării termocentralelor. Curentul produs se folosește apoi la instalațiile cu comprimare mecanică a vaporilor.

Instalațiile cu ejecție utilizează energia cinetică a unui jet de vapori sau gaz. În funcție de construcția ajutajului și de modul de desfășurare a procesului, aceste instalații pot fi cu ejector sau turbionare. Mașina frigorifică cu ejecție (cu ejector) are particularitatea că procesul de comprimare a vaporilor din vaporizator se realizează în ejector, restul proceselor fiind identice cu cele din mașina frigorifică cu compresie mecanică.[10]

Fig. 11 Schema instalației cu ejecție cu energie solară [22]

Orice mașină Stirling poate lucra în regim invers ca pompă de căldură: dacă se introduce lucru mecanic prin acționarea mașinii, între cilindri apare o diferență de temperatură. Principiul de funcționare este simplu. Diferența de temperatura dintre doua surse de caldura este “parametrul motor” care permite transformarea căldurii in lucru mecanic. Natura surselor de căldura si a agentului de lucru este indiferenta, aceasta fiind cel mai mare avantaj al mașinilor care funcționează după acest ciclu termodinamic. Motoarele Stirling se întâlnesc in diferite variante constructive, cu un singur cilindru sau cu doi cilindri. In ambele cazuri sunt doua pistoane: unul cald si unul rece, care se mișca cu un defazaj de 900. Intre spatiile de lucru ale celor doua pistoane se afla un schimbător de căldura regenerativ care separa doua surse de căldura de temperaturi diferite. Gazul care parcurge ciclul termodinamic al motorului ajunge succesiv in contact cu sursa calda si sursa rece, luând si respectiv cedând căldura. Lucrul mecanic produs este teoretic egal cu diferența dintre căldurile schimbate. Motoarele Stirling moderne utilizează ca agent de lucru hidrogen sau heliu, la presiuni mari, etanșări performante si soluții eficiente pentru transferul de căldura. Regeneratorul de căldură se materializează prin fire foarte fine de cupru care se încălzesc si se răcesc alternativ. Una din utilizările moderne este în industria frigului ca instalații frigorifice și criogenice (cryocooler). Componentele principale al unui cryocooler sunt identice cu cele ale mașinii Stirling. Rotirea axului motor va produce comprimarea gazului producând creșterea temperaturii acestuia. Prin împingerea gazului într-un schimbător, căldura va fi livrată. În faza următoare gazul va fi supus unei destinderi în urma căreia se va răci și va fi vehiculat spre celălalt schimbător de unde va prelua căldură. Acest schimbător este situat într-un spațiu izolat termic cum este de exemplu un frigider. Acest ciclu se repetă la fiecare rotație a arborelui. De fapt căldura este extrasă din compartimentul răcit și este disipată în mediul înconjurător. Temperatura în compartiment va scădea din cauza izolației termice care nu permite intrare căldurii. La fel ca la motorul Stirling, randamentul se îmbunătățește prin utilizarea unui regenerator care creează un tampon pentru căldură între cele două capete cu temperaturi diferite. Primul cryocooler bazat pe ciclu Stirling a fost lansat pe piață în anul 1950 de firma Philips și a fost utilizat în stații de producere a azotului lichid. O gamă largă de cryocoolere mai mici sunt produse pentru diferite aplicații cum ar fi răcirea senzorilor. Refrigerarea termoacustică se bazează pe ciclul Stirling creat într-un gaz de către unde sonore de mare amplitudine[12].

Ciclul Vuilleumier (VM) se bazează pe aceleași principii termodinamice de funcționare ale ciclului Stirling dar spre deosebire de acesta nu are pistoane ci „deplasatori” care nu trebuie să funcționeze la diferențe de presiuni mari și prin urmare nu trebuie să aibă mai mult de un sigiliu simplu pentru etanșare. La fel ca și motorul Stirling, VM este un ciclu închis, unde gazul de lucru este reținut în interiorul cilindrilor iar căldura este adăugată și înlăturată din ciclu
cu ajutorul schimbătoarele de căldură (Carlsen, 1989)[13].

Instalațiile termoelectrice, care au la bază efectul Péltiér, permit obținerea frigului artificial prin utilizarea directă a energiei electrice. Este cunoscut faptul că la trecerea curentului electric printr-un ansamblu format din două materiale diferite, se constată apariția unei diferențe de temperatură la cele două lipituri ale sistemului. Aplicarea pe scară largă a acestui efect a devenit posibilă odată cu dezvoltarea tehnicii semiconductoarelor.

La fel instalațiile cu răcire evaporativă sau răcire prin evaporarea apei folosește direct energia electrica pentru antrenarea unui ventilator și a unei pompe de apă. Răcirea prin evaporare este procesul de răcire a aerului prin care temperatura aerului este scăzută prin procesul de evaporare a apei la trecerea curentului de aer printr-o perdea de ceață(apă pulverizată) sau printr-un material îmbibat cu apă. Conform legilor fizicii, pentru ca 1 gram de apa sa treacă din stare lichidă în stare gazoasă se consumă aproximativ 600 calorii, mai exact 2260 J. Acest proces este folosit și de către majoritatea animalelor dar și de către oameni pentru reglarea temperaturii corpului și anume prin transpirație. Procesul e cu atât mai eficient cu cât aerul exterior ce trece prin agregat este mai cald și mai uscat. Odată cu creșterea umidității randamentul scade, de aceea au apărut sisteme care combină sistemul evaporativ cu cel dessicant și anume mai întâi aerul este uscat cu ajutorul unei substanțe absorbante(LiCl sau CaCl) și abia apoi este răcit cu ajutorul apei [ Laboratorul Național pentru Energie Regenerabilă din SUA].

Instalațiile frigorifice cu compresie mecanică de vapori se folosesc pentru obținerea unor temperaturi, în general până la -90ºC. Acestea pot fi:

– cu compresie într-o singură treaptă;

– cu compresie în mai multe trepte;

– în cascadă.

Instalațiile frigorifice cu comprimare mecanică a vaporilor într-o singură treaptă sunt utilizate pentru obținerea unor temperaturi până la -30ºC, cu tendința de a ajunge până la –60ºC prin perfecționarea ciclului (subrăcire avansată înainte de laminare, supraîncălzirea vaporilor aspirați de compresor, folosirea unor agenți frigorifici cu caracteristici superioare). Realizarea unor nivele de frig tot mai coborâte în vaporizatorul instalației frigorifice cu compresie mecanică de vapori, în condițiile în care temperatura de condensare rămâne constantă, implică mărirea continuă a raportului de compresie. Această mărire are efecte negative asupra funcționării instalației, datorită micșorării factorului de debit și a randamentului indicat al compresorului și măririi excesive a temperaturii vaporilor la ieșirea din compresor, cea ce înrăutățește condițiile de ungere ale acestuia. Această temperatură nu trebuie să depășească valorile admisibile de circa 145 ºC, corespunzătoare temperaturii de cocsificare a uleiurilor de ungere. Din aceste cauze, pentru rapoarte de compresie mai mari ca 8- 9, este necesar să se utilizeze comprimarea în două sau trei trepte, între care vaporii între treptele de comprimare sunt răciți cu apă sau agent frigorific lichid. Schemele instalațiilor frigorifice cu compresie în două sau trei trepte sunt diverse, în funcție în general de tipul agentului frigorific, temperatura agentului de răcire și scopul urmărit. Funcție de tipul schemei, debitul de agent frigorific poate varia în circuitele apărute funcție de numărul treptelor de compresie.

În figura 12 se prezintă schema de principiu a unei instalații frigorifice, denumită și mașină frigorifică, cu compresie mecanică de vapori ce funcționează după un ciclu termodinamic teoretic, cu o serie de modificări constructive și funcționale față de schema unei mașini ce funcționează după un ciclu termodinamic ideal, care nu poate funcționa[10].

Fig. 12 Schema instalației frigorifice cu compresie mecanică de vapori

Agentul frigorific este un agent monocomponent, omogen și izobar[10]

Analiza ciclului termodinamic teoretic:

În vaporizatorul V al mașinii frigorifice se produce răcirea directă a consumatorului de frig sau indirect a unui agent termic intermediar. Agentul frigorific ce preia căldura de la acest mediu răcit vaporizează. Vaporii formați sunt aspirați de compresorul K și comprimați adiabat reversibil în condensatorul C unde condensează, lichidul format fiind colectat în rezervorul de lichid R.L. Acest lichid este apoi laminat în ventilul de reglaj V.R. până la presiunea și temperatura din vaporizatorul V. Răcirea condensatorului se poate realiza cu apă, aer sau mixt, cu apă și aer. În Figura 13 se prezintă ciclul termodinamic teoretic în diagramele uzuale din tehnica frigului[10].

Fig. 13 Ciclul termodinamic teoretic al instalației frigorifice cu compresie mecanică de vapori[10]

În acest ciclu, reprezintă compresia adiabată reversibilă a vaporilor, la este răcirea vaporilor comprimați, la presiune constantă, până la starea de saturație, este condensarea vaporilor la presiune și temperatură constantă, este laminarea lichidului la entalpie constantă și este vaporizarea lichidului la presiune și temperatură constantă. Pentru acest ciclu vom calcula mărimile termice caracteristice[10].

Puterea frigorifică:

Aceasta reprezintă fluxul de căldură preluat de agentul frigorific prin vaporizare, de la mediul răcit.

(1.1)

unde: este debitul masic de agent frigorific, ; – puterea frigorifică unitară, masică,

Puterea frigorifică unitară masică diferă de căldura de vaporizare prin aceea că prima reprezintă căldură preluată în vaporizator de () kg agent, pe când căldura latentă reprezintă căldura preluată de kg agent frigorific. Cantitatea de () kg, în care reprezintă titlul vaporilor obținuți după laminarea lichidului în este cea ce vaporizează din 1kg de agent considerat că circulă prin mașina frigorifică.[10]

Folosind expresia analitică a principiului I al termodinamicii pentru sisteme deschise, în care neglijăm energia cinetică și potențială, avem:

(1.2)

Procesul de vaporizare este izobar,

(1.3)

(1.4)

(1.5)

Puterea consumata de compresor:

unde: este lucrul mecanic tehnic unitar, consumat în comprimarea adiabată reversibilă

Dacă folosim expresia analitică a principiului I al termodinamicii pentru procese deschise, relația (1.2)

proces adiabat reversibil

(1.6)

Puterea termică a condensatorului:

(1.7)

Pe aceleași considerente, se poate scrie:

(1.8)

Coeficientul de performanță al mașinii:

(1.9)

Mărimile termice calculate mai sus se pot vizualiza grafic în diagrama entropică , figura 14.

Fig. 14 Reprezentarea grafică în diagrama a mărimilor termice ale unei instalației frigorifice cu compresie mecanică de vapori[10]

În figura 13. avem următoarea semnificație a ariilor:

Instalațiile desicante sunt de fapt instalații cu sorbție dar care funcționează pe baza unui ciclu deschis. Sorbția se referă la legarea unei substanțe de alta, astfel absorbanții sunt substanțe care au proprietatea de atrage și de a încorpora alte gaze sau lichide iar desicanții(adsorbanții) sunt o subgrupă a acestora având ca și particularitate afinitatea pentru apă.[15]

Toți desicanți se comportă într -un mod similar: atrag umezeala până acestia ajung în echilibru cu aerul înconjurător. Umiditatea este de obicei îndepărtată din desicant prin încălzire la temperaturi cuprinse între 50 și 260°C și expunerea la un flux de aer. După ce se usucă desicantul trebuie să fie răcit, astfel încât să poată atrage umezeala din nou . Sorbția generează întotdeauna căldură sensibilă egală cu căldura latentă din vaporii de apă preluați de către desicant, plus o căldură suplimentară de sorbție care variază între 5 și 25 % din căldura latentă din vaporii de apă. Această căldură este transferată la desicant și la aerul din jur . Procesul de atragere și de reținere a umidității este descris fie prin adsorbție sau absorbție, în funcție de agentul de uscare care suferă o modificare chimică atunci când reține umiditatea. Adsorbția nu schimbă desicantul , decât prin adăugarea unei mase de vapori de apă, este similară în unele moduri cu un burete care absoarbe apa. Absorbția, pe de altă parte, schimbă desicantul. Un exemplu de absorbant este sarea de masă, care devine lichidă atunci când absoarbe o cantitate mare de umezeală. [15]

Practic vorbind, toți desicanți funcționează în același fel: prin transferul de umiditate cauzată de o diferență între presiunile vaporilor de apă la suprafața lor și a aerului înconjurător. Când presiunea vaporilor la suprafața desicantului este mai mică decât cea a aerului, desicantul atrage umezeala. Când presiunea de vapori de la suprafață este mai mare decât cea a aerului înconjurător, desicantul pierde din umiditate. La un moment dat, presiunea vaporilor la suprafața desicantului este aceeași ca și cea a aerului: cele două sunt în echilibru. Atunci umiditate nu se poate deplasa în nici o direcție până când o forță externă schimbă presiunea vaporilor desicantului sau în aer. [15]

Atât temperatură mai ridicată și creșterea conținutului de umiditate crește presiunea la suprafață a vaporilor. Când presiunea de suprafață a vaporilor o depășește pe cea a aerului înconjurător, umiditate părăsește desicantul (reactivare sau regenerare). După ce desicantul s-a uscat (reactivat) cu ajutorul căldurii, presiunea vaporilor rămâne ridicată, deci are capacitatea minimă de a absorbi umezeala. Răcirea desicantului reduce presiunea vaporilor de suprafață, astfel încât să poată absorbi umezeala din nou. [15] Ciclul complet este ilustrat în Figura 15.

Fig. 15 Ciclul desicant(Harriman 2003)[15]

Dezumidificarea aerului de către un agent desicant este utilizată atât în aplicațiile de aer condiționat cât și cele industriale, în special atunci când sarcina latentă este mare în comparație cu sarcina sensibilă, când sunt solicitate temperaturi de îngheț sub temperatura punctului de rouă dar și când avem disponibilde energie solară sau de recuperare a căldurii pentru regenerarea desicantului.[16]

Într -un ciclu de răcire solară cu ajutorul instalației desicante, energia solară este folosită pentru a regenera un desicant care dezumidifică aerul umed , aerul uscat rezultat este răcit într-un regenerator de căldură sensibilă și apoi într-un răcitor evaporativ. Prin asocierea diferitelor schimbări elementare în aerul umed (dezumidificare, răcire sensibilă și răcire evaporativă), tehnica folosește apa ca agent frigorific și energiea solară; energia electrică este utilizată numai în componentele auxiliare, astfel încât sistemul este ecologic.

Răcirea desicantă a fost în curs de investigare activă încă de la sfârșitul anilor șaizeci (Dunkle , 1965 ) . Cea mai mare parte a efortului a fost concentrat pe modelarea componentelor , mai ales roata desicantă (Banks , 1972; Maclaine –Cross și Banks , 1972 ; . Van den Bulck et al , 1985 ) și regeneratorul de căldură sensibilă ( Kays și London , 1984). Lucrări recente (Henning et al , 2001, Bourdoukan et all . ,2008 ) au investigat potențialul energiei solare în sistemele desicante. Mavroudaki et all (2002) au investigat potențialul sistemului solar cu o singură etapă desicantă pentru a asista grinzile de răcire pentru răcirea clădirilor de birouri în cazul în care desicantul este utilizat pentru a elimina sarcina latentă și grinzile de răcire sarcina sensibilă.[17]

Utilizarea cea mai evidentă a desicanților în zona HVAC este de a dezumidifica aerul de admisie. Sisteme care fac acest lucru sunt de obicei denumite ca "roți desicante". În cazul în care căldura produsă în timpul adsorbției este exclusă din spațiul condiționat, acest lucru produce o formă de efect de răcire prin eliminarea entalpiei din aer. Aerul uscat cald are un potential mai mic de energie în el decât aerul cald umed; dacă ar fi să adăugăm umiditate înapoi în aer,folosind un răcitor evaporativ, am putea produce un efect de răcire în ciclu deschis.

Kim & Infante Ferreira, 2008, descriu în lucrarea lor cele două tipuri de instalații desicante cu agenți desicanți lichizi cît și solizi. Cele doua siteme binecunoscute sunt prezentate schematic in Figura 16 a și 16 b.

Fig. 16.a. Sistem lichid desicant cu energie solară[18]

Fig. 16.b. Sistem dublu desicant-roata desicantă cu energie solară[18,19]

Cei mai cunoscuți desicanți lichizi sunt anumite săruri higroscopice(de fapt multe săruri suferă o transformare între starea solidă și lichidă) dar și glicolii: clorură de litiu (LiCI) și bromură de litiu (LiBr), clorură de calciu (CaCl2), soluție salină de clorură de sodiu, etilen glicol iar dintre cei solizi cei mai cunoscuți sunt silicagelul, oxizi și hidruri de aluminiu , zeoliți naturali și sintetici (aluminosilicați), diferiți polimeri sintetici(Czanderna, 1988) dar și cărbunele activ.

În unele aplicații , desicanții pot reduce sarcina de răcire și a cererii de vârf de până lacca 50% , cu economii semnificative asupra costurilor.

Mașini frigorifice cu absorbție/adsorbție – IFAS

Mașinile frigorifice cu absorbție și adsorbție sunt cele mai răspândite mașini frigorifice care funcționează cu ajutorul energiei solare, Figura 17. Așa cum se vede și în ultima documentare[20], Figura 18, numărul acestora e în continuă creștere. Se preconizează la ora actuală, 2013, că numărul acestora a ajuns la 1000 de unități[Green Chiller].

Fig. 17 Procentajul tipurilor de instlații de răcire cu ajutorul energiei solare, stânga-instalații de capacități mari, dreapta-instalații de capacități mici(<20kW) [ IEA SHC Task 38]

Fig. 18 Numărul instalațiilor de răcire cu ajutorul energiei solare din Europa si din lume[Green Chiller, Tecsol, IEA SHC Task 38]

Odată cu dezvoltarea tehnologiilor folosite în aceste sisteme, prețul componentelor scade simțitor dupa cum reiese și din Figura 19.

Fig. 19 Evoluția prețurilor sistemelor de răcire cu ajutorul energiei solare[Green Chiller]

Instalația frigorifică cu adsorbție

Sistemele cu adsorbție sunt foarte asemănătoare cu sistemele cu absorbție. Principala diferență este că adsorbantul este un solid și nu un lichid. Procesul de adsorbție este un proces fizic în care moleculele fluidului de lucru sau agentului frigorific sunt legate la suprafața adsorbantului prin forțe Van-der-Waals. Adsorbanți utilizați în răcitoarele cu adsorbție sunt adsorbanți tehnici foarte poroși, cum ar fi silicagelul, zeoliții dar și cărbunele activ. Porozitatea înaltă și astfel suprafața internă extrem de mare a adsorbanților (sute de mp pentru fiecare gram de material) permite adsorbția unei cantități semnificative de agent frigorific. Principala caracteristică a perechii adsorbant-agent frigorific este cantitatea de refrigerant adsorbit pe unitate de adsorbant uscat.

(2.1)

Încărcare x este o funcție a presiunii și a temperaturii agentului frigorific și este reprezentată în diagrame izosterice. [21]

Ciclul de răcire se realizează prin intermediul a patru procese (Figura 20) :
1 . încălzire izosterică: în secțiunea1, adsorbantul încărcat este încălzit la maximul de încărcare constant xmax. Presiunea de echilibru în sistem crește până când ajunge la presiunea de condensare a agentului frigorific la temperatura de condensare Tcond.
2 . desorbție izobară: adsorbantul este încălzit în continuare până este astfel desorbit la presiune constantă. Desorbția se termină imediat ce se atinge temperatura maximă Tmax furnizată de sursa de căldură externă. Acest proces este endoterm, și are loc cu preluarea căldurii de desorbție. Agentul frigorific eliberat este condensat în condensator.
3 . răcire izosterică: materialul desorbit este răcit până când presiunea de echilibru atinge presiunea de evaporare a agentului frigorific din vaporizator.
4 . adsorbție izobară: răcirea în continuare a adsorbantului duce la procesul de adsorbție; agentul frigorific se evaporă în evaporator, producând astfel efectul de răcire și este preluat de adsorbant. Procesul se încheie în momentul în care temperatura adsorbantului ajunge la temperatura de eliminare a căldurii și astfel se închide ciclul.

Fig. 20 Ciclul de adsorbție în diagramă izosterică silicagel-apă. Liniile izosterice reprezintă încarcarea constantă x[21]

Designul tipic al unui chiller cu adsorbție este compus din doi adsorbitori. În acest design
două sisteme de adsorbție sunt conectate la un evaporator comun și un condensator prin clapete cu auto-acționare.

Fig. 21 Designul tipic al unui chiller cu adsorbție[21]

Fig. 22 Cele 4 faze ale ciclului cu adsorbție cu două adsorbitoare[21]

Caracteristica cea mai mai importantă a acestui tip de instalație este timpul pentru recuperarea căldurii, timp în care în mod normal nu se produce frig. Recuperarea trebuie să fie cât mai eficientă pentru a avea un COP rezonabil. Datorită funcționării cu intermitență, temperaturile, deci și puterea, fluctuează în cele trei circuite ale instalației după cum se vede și în Figura 23.

Fig. 23 Evoluția tipică a temperaturilor în ciclul cu adsorbție[21]

Performanța unui chiller cu adsorbție depinde de condițiile de funcționare. Temperaturile ridicate de regenerare reduc COPul și puterea mașinilor. Valorile COP tipice sunt în jur de 0,6.
Așa cum în mod normal, nu există nici o pompă în interiorul mașinii, operațiunea este aproape fără zgomot. Este posibilă o modulare a puterii într-un anumit interval , dar aceasta afectează COPul . În mod normal, eficiența este mai mare în funcționarea parțială a sarcini.
Principalele avantaje sunt :
• Este o tehnologie robustă, cu nici un risc de cristalizare, nici un pericol de daune ca urmare a
temperaturilor.
• Materialele folosite astăzi (zeolți , silicagel) sunt ecologice.
• Consum foarte redus de energie electrică intrinsecă din cauza lipsei unei pompe. Energia electrică este necesară numai pentru supapele, clapetele de comutare și unitatea de control.
•Piese în mișcare foarte mici, cu potențial de efort redus de întreținere și costuri.
• Potențial ridicat de reducere a costurilor în producția de serie din cauza cantității mici de
piese individuale.
Principalele dezavantaje sunt:
• Cerințe ridicate de etanșeitate la vid a containerului.
• COP ușor mai scăzut decât tehnologia cu absorbție comparabilă.
• Variația de temperatură ciclică în circuitele hidraulice necesită o proiectare atentă a
circuite hidraulice externe.
• Mașinile disponibile în comerț sunt scumpe și doar câțiva furnizori pe piață.

2.6 Instalația frigorifică cu absorbție

Funcționarea instalației frigorifice cu absorbție se bazeaza tot pe ciclul Camot inversat, compresia agentului frigorific realizându-se pe cale termochimică, prin utilizarea unui amestec binar, consumându-se energie termică.

Schema simplă a mașinii frigorifice cu absorbție este prezentată în Figura 24.

Mașina frigorifică îi spunem că este simplă, deoarece nu are coloană de rectificare, nu are schimbătoare de căldură regeneratoare.

Vaporii rezultați în vaporizatorul la presiunea ca urmare a răcirii unui mediu, sunt absorbiți în de soluția săracă ce vine de la generatorul de vapori. Prin absorbție devine o soluție bogată în agent frigorific. Reacția de absorbție (dizolvare) este o reacție exotermă și căldura ce se degajă trebuie să fie evacuată printr-un agent de răcire, apă sau aer, pentru ca procesul de absorbție să fie continuu și cu aceeași intensitate. Soluția bogată rezultată este preluată de pompa și refulată la o presiune ridicată, teoretic presiunea de condensare, , în generatorul de vapori . În generator soluția fierbe, ca urmare a folosirii unui agent de încălzire, vaporii rezultați pleacă spre condensatorul , iar soluția săracă în agentul frigorific se reîntoarce spre absorbitorul , laminându-se de la presiunea la presiunea . Vaporii condensează în condensator, lichidul rezultat fiind laminat și apoi procesul se reia în vaporizator. Procesele de vaporizare și condensare în mașina frigorifică cu absorbție diferă față de cele din mașina cu compresie cu agent monar prin aceea că ele se desfășoară la presiune constantă, dar la temperatură variabilă. Procesul termodinamic din mașina frigorifică cu absorbție, pe baza teoriei din termodinamica soluțiilor, se poate reprezenta în diagramele și . Pentru reprezentarea în diagrama a procesului, sunt necesare o serie de calcule bazate pe teoria termodinamicii soluțiilor.

Figura 24 Schema unei instalații frigorifice cu absorbție simplă NH3-H2O

Legendă: vaporizator; condensator; ventil de laminare; absorbitor;generator de vapori sau fierbător

Reamintim o serie de mărimi: este debitul de soluție bogată; – debitul de soluție săracă; – debitul de vapori; – concentrație soluție bogată; – concentrație soluție săracă; – concentrația vaporilor; coeficient de circulație.

Bilanțul de amoniac în fierbătorul de soluție este:

Bilanțul de energie pentru ansamblul generator–absorbitor:

unde: este puterea termică pentru fierberea soluției; – puterea frigorifică a mașinii; – puterea termică a absorbitorului; – puterea termică a condensatorului.

În relația de sus se neglijează puterea consumată de pompa de soluție, care este mică față de celelalte puteri.

Bilanțul de puteri termice la generator :

Notăm:

Bilanțul va fi conform schemei din figura 25.

Figura 25. Schema pentru bilanțul de puteri al generatorului de vapori

Notăm:

deci:

Bilanțul de puteri termice la absorbitor :

În figura 26 se prezintă schema de calcul al acestui bilanț.

Figura 26 Schema de calcul a puterii termice a absorbitorului

Notăm:

Când , rezultă:

Bilanțul termic în condensator:

Bilanțul termic în vaporizator:

• Coeficientul de performanta:

În figura 27 se reprezintă procesul în întreaga mașină, reprezentată în diagrama .

Figura 27. Procesul termodinamic al mașinii simple frigorifice cu absorbție.

Foarte multe studii există deja referitoare la majoritatea sistemelor enumerate dar o clasificare edificatoare cost – performanță este făcută de Kim si Infante Ferreira în Figura 6.

Figura 28. Schema cost – performanță pentru diferite sisteme solare de răcire.

Așa cum reiese din aceasta schema, valoarea cea mai mica estimată este cea a sistemului cu absorbție simplu efect. Având construcția cea mai simplă iar temperatura apei calde mult mai scăzută decât cea necesară mașinii dublu efect obținerea acesteia se poate realiza și cu panouri solare mai ieftine și mai simple.

Sistemele solare electrice și cele termomecanice sunt mult mai scumpe decât cele solare termice și de altfel nu sunt compatibile cu sisteme actuale existente(instalate) și anume cele pentru încălzirea clădirilor.

În figura 29 se poate vedea nivelul de performanță al sistemelor principale bazate pe principiul ab/adsorbției atât pentru ciclurile deschise cât și pentru cele închise raportate la temperatura apei calde ce antrenează sistemul.

De asemenea în figura 30 graficul przintă în raport cu un COP ideal referitor la ecuația 1 unde TC este temperatura sursei reci, TH este temperatura sursei calde de antrenare și TM este temperatura medie la care căldura este eliminată, de cele mai multe ori cu ajutorul aerului, și o comparație între cele două sisteme descrise anterior, absorbție și adsorbție.

(1)

Figura 29. COP în funcție de temperatura de antrenare a sistemelor.

Figura 30. COP instalații cu absorbție și adsorbție raportate la COPideal

conform ecuației (1).

Figura 31. Costuri de investiție pentru sistemele frigorifice cu absorbție de puteri mici (Eicker, Pietruschka, 2009)

2.7 Avantaje/argumente

Principalele argumente/avantaje pentru îmbunătățirea mașinii frigorifice cu absorbție NH3-H2O utilizând energia termică sunt:

Sistemul exploatează surse de energie cu potențial termic scăzut cum ar fi energia termică reziduală din diferite procese industriale, energie geotermală și energia solară care măresc COP efectiv al acestor echipamente datorită faptului că nu mai apar pierderi de exergie specifice conversiei acesteia în energie electrică sau prin ditribuție.

Cantitatea mică de energie electrică folosită reduce cererea de vârf generată de consumul de electricitate pentru răcire, atât in domeniul aerului condiționat(temperatura refulare de la 5C la 20C) cat și în cel frigorific(de la -20C la 5C) eliminând cel puțin o cauză ce generează întreruperea furnizării de energie electrică reducând „stresul” rețelelor deja șubrede.

Protecție a mediului ridicată datorită energiei utilizate dar și a substanțelor utilizate, NH3-H2O , care au ODP si GWP nule astfel protejează stratul de ozon și nu contribuie la încălzirea globală.

Datorită faptului că nu are părți în mișcare exceptând pompa de soluție si ventilatorul, le face foarte silențioase, ușor de întreținut cu o securitate sporită pentru oameni astfel că durata de funcționare poate atinge 25-30 ani fără intervenții majore.

Aportul de energie solară coincide deobicei cu cererea de răcire, astfel atunci când soarele strălucește cel mai tare și necesarul de răcire crește proporțional.

O piață rezidențiala de acoperit datorită faptului ca cererea pentru confort ambiental crește neîntrerupt.

Sisteme de automatizare simple pentru funcționarea în regim parțial, reglarea necesită doar o variație a debitului de soluție corelată cu variația debitului de agent termic.

Sistem compact cu compresor termic inovativ și schimbatoare de căldură îmbunătățite, ușor de instalat, sistemul nu se supune unor reglementări speciale de rezistență mecanică.

2.8 Obiectivele lucrării

Reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră prin reducerea consumului de combustibili fosili, folosind surse de energii regenerabile prin îmbunătățirea eficienței energetice a mașinii frigorifice cu absorție utilizând schimbatoare cu microcanale adecvate procesului reprezintă obiectivul principal al tezei.

Obiectivele intermediare cuprind:

O1. Selectarea sistemului de răcire cu absorbție utilizând surse de energii regenerabile.

Studiul sistemelor de răcire cu absorție si a soluțiilor de alimentare cu energie.

Analiza (comparativă a) sistemelor de răcire cu absorbție si a soluțiilor de alimentare cu energie regenerabilă.

O2. Realizarea schemei tehnologice finale de studiu si a modelului matematic de calcul

Modelarea sistemului ales (folosind diverse programe).

Simularea funcționării cu diverse schimbatoare de caldură.

Realizarea prototipului ales (pe baza datelor obținute din simulare).

O3. Stabilirea parametrilor de functionare eficienta a sistemului de racire cu schimbator de caldura cu microcanale. Verificarea modelului matematic cu ajutorul instalatiei experimentale.

Stabilirea criteriilor (parametrilor) de optimizare.

Experimentarea instalației de răcire cu absorbție.

Analiza rezultatelor obtinute.

O4. Valorificarea/Diseminarea rezultatelor.

BIBLIOGRAFIE

[1] The European Parliament And The Council Of The European Union, „Directive 2002/91/EC of the European Parliament and of the Council of 16 December 2002 on the energy performance of buildings”,disponibil online la: http://eurlex.europa.eu/lexuriserv/lexuriserv.do?uri=oj:l:2003:001:0065:0071:en:pdf, 2002.

[2] The European Parliament And The Council Of The European Union, „Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings”, disponibil online la: http://eurlex.europa.eu/lexuriserv/lexuriserv.do?uri=oj:l:2010:153:0013:0035:en:pdf, 2010.

[3] Parlamentul României, „Legea 372/2005 privind performanța energetică a clădirilor”, Monitorul Oficial al României, Partea I, nr. 1144, 2005.

[4]Mugur Bălan – Instalatii frigorifice. Teorie si programe pentru instruire.

[5] Badea Adrian – Surse regenerabile de energie. Componentă importantă a dezvoltarii energetice durabile, Masă rotundă “Sursele regenerabile de energie între Directiva Europeana 77 / 2001 și realitate”, Camera de Comerț și Industrie a Romaniei și a Municipiului București, 29 mai 2003.

[6] HVAC Handbook, Version 1 ME, IIT Kharagpur, Course

[7] Solar cooling and refrigeration with high temperature lifts – thermodynamic background and technical solution, Henning et all.

[8] Solar Cooling Technologies: Current Status and Recent Developments, W. Saman et all., Proc. 42nd Annual Conference of the Australian and New Zealand Solar Energy Society, Pearth (AU), 1. – 3.12.2004

[9] Chiriac F. – Instalații frigorifice. Editura didactică și pedagogică. București, 1981

[10] Alexandru Șerban, Florea Chiriac – Instalații frigorifice – Seria ‘Cursuri Universitare.Masterat’(Refrigeration Installations – Series “Universitary Courses. Master”), Editura Agir,București, 2010

[11] Tehnica frigului și echipamente de climatizare, Marin Gavrilă, Note de curs,

Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti (UTCB)

[12] http://ro.wikipedia.org/wiki/Motorul_Stirling

[13] Yingbai Xie et all., Investigation on the Performnces of the gas driven Vuilleumier heat pump, International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue, Iulie 14-17, 2008.

[14] Adrian Badea et all., Bazele termoenergeticii, Note de curs de la Facultatea de Energetică

[15]2009 ASHRAE Handbook

[16] Giovanni A. Longo, Andrea Gasparella, Experimental analysis on desiccant regeneration in a packed column with structured and random packing, Solar Energy 83 (2009) 511–521

[17] P. Bourdoukan et all., Experimental investigation of a solar desiccant cooling installation, Solar Energy 83 (2009) 2059–2073

[18] Kim, D. S., Infante Ferreira, C.A., Solar refrigeration options – a state-of-the-art review, International Journal of Refrigeration 31 (2008) 3 -15

[19] IEA SHC Task 38 Solar Air Conditioning and Refrigeration, Subtask C2-C, July 30, 2011

[20] IEA SHC Task 38 Solar Air Conditioning and Refrigeration, Subtask B, 2009-11-12

[21] IEA SHC Task 38 Solar Air Conditioning and Refrigeration, Subtask C1, October 30, 2010

[22] I. Sarbu, C. Sebarchievici, Review of solar refrigeration and cooling systems, Energy and Buildings 67 (2013) 286–297

[23] Standard I5:2010 – Normativ pentru proiectarea, executarea și exploatarea instalațiilor de ventilare și climatizare

[24] ***Planul Național de Acțiune în Domeniul Energiei din Surse Regenerabile (PNAER), Ministerul Economiei, București, 2010