Optimizarea Unei Instalatii Frigorifice

Optimizarea unei instalatii frigorifice

Proiectul are ca scop optimizarea unei instalatii frigorifice cu compresie mecanica de vapori cu freon in una cu compresie mecanica cu vapori de amoniac.

In conformitate cu noile norme de securitate si mediu se aleg 2 posibilitati pentru fluidul de lucru: amoniac, R 22 . Dupa determinarea in ambele cazuri a punctelor caracteristice ale ciclurilor teoretice si dupa efectuarea calculului termic cu determinarea puterilor masice la condensator, vaporizator, subracitor, etc., calcularea coeficientului de performanta si a coeficientilor GWP si ODP se face un STUDIU COMPARATIV din care rezulta instalatia cu amoniac ca fiind cea mai avantajoasa, fiind cea mai putin daunatoare mediului, cu cel mai mare COP si cele mai mici debite de agent frigorific in circulatie, atat masic cat si volumic. Instalatia cu freon R 22 prezenta doar avantajul unui raport dintre presiune de condensare si cea de vaporizare mai mic, avantajos d.p.d.v. al lucrului mecanic de comprimare.

In cazul instalatiei cu amoniac, este absolut necesar un separator de lichid vertical SLV, care sa separe faza lichida de cea gazoasa inainte de intrarea acesteia din urma in compresor. Aceasta este obligatorie cu scopul de a asigura in compresor numai vapori saturati uscati de amoniac. La instalatia cu freon se puteau si era recomandata alimentarea compresorului cu vapori supraincalziti intr-un schimbator de caldura intern care functiona ca supraincalzitor de vapori si subracitor de lichid. Aceasta era permisa la freoni deoarece temperatura vaporilor supraincalziti nu era asa de mare ca la amoniac, ea daunand uleiului. In ambele cazuri este absolut necesar ca stropii de agent frigorific sa nu patrunda in compresor, deoarece acest fenomen ar produce lovituri de berbec in instalatie odata cu vaporizarea brusca a acestora si deci cu cresterea volumului specific.

Fiecare compresor a fost prevazut cu un separator de ulei SU, cu scopul de a retine eventualul ulei antrenat de vaporii supraincalziti de amoniac. Acesta este obligatoriu deoarece amoniacul nu este miscibil cu uleiul si altfel uleiul ar fi ramas in vaporizator, impiedicand transferul termic si lasand compresoarele fara o uingere adecvata. La instalatia cu freon aceste SU nu ar fi fost necesare, insa s-ar fi impus o viteza de circulatie a agentului frigorific mare si acesta ar fi fost constrans sa circule prin spatiile mai reduse pentru antrenarea uleiului ramas. Instalatia nu este foarte mare, iar temperatura vaporilor supraincalziti este relativ redusa, asa ca nu au fost prevazute serpentine cu apa rece la SU pentru scaderea miscibilitatii dintre vapori si ulei. In general aceste separatoare retin cam 97% din uleiul antrenat. Totusi in calcule trebuie tinut cont de pelicula de ulei formata pe suprafetele de transfer din vaporizator, condensator si subracitor.

Pentru evitarea intreruperii instalatiei si pentru a putea acoperi eventuale sarcini mai mari in cazul in care consumatorul de frig devine, in timp, mai mare, s-a mai prevazut un compresor de rezerva si un separator de ulei, izolate de instalatie cu ajutorul unor vane normal inchise.

Apa de racire circula prin interiorul tevilor, la calculul coeficientilor de transfer termic tinandu-se seama de stratul de piatra depus pe peretii tevilor.

Pentru supravegherea instalatiilor a fost construita o camera de supraveghere in imediata vecinatate a camerei compresoarelor, dotate ambele cu usi de refugiu opuse respectand distantele minime dintre compresoare si peretii inconjuratori.

PROCEDEE DE PRODUCERE A FRIGULUI ARTIFICIAL

Frigul artificial este produs in scopul scaderii si al mentinerii temperaturii unui corp, sau sistem de corpuri, sub temperatura mediului inconjurator, reprezentat prin apa, aer si pamant.

Procedeele care stau la baza realizarii temperaturilor scazute pot fi impartite in doua mari categorii: procedee care folosesc agent frigorific si procedee fara agent frigorific. Cele cu agent frigorific se bazeaza pe procese termice, iar cele fara agent utilizeaza fenomene termoelectrice, termomagnetice si termomagneto-electrice sj, nefiind utilizate in industria alimentara, nu vor fi tratate in aceasta lucrare.Procedeele care folosesc agent frigorific pot fi: in circuit deschis (prin utiliza-rea ghetii, a amestecuriior refrigerente, a agentilor frigorifici sau criogenici, prin evaporarea apei sau a altor lichide) si in circuit inchis, cand agentul parcurge componentele sistemului inchis si sufera o serie de transformari termodinamice ce formeaza un ciclu frigorific.

Procedeele in circuit inchis sunt realizate cu ajutorul unor instalatii frigorifice care sunt formate din masini, aparate de schimb de caldura, recipiente, aparate de masura si control, automatizari etc.Asemenea instalatii se bazeaza pe vaporizarea unor lichide la saturatie, denumite agenti frigorifici, si pot utiliza comprimarea mecanica de vapori (I.F.C.M.V.), comprimarea vaporilor cu ajutorul ejectoarelor (I.F. cu ejectie), sau comprimarea de vapori cu ajutorul compresoarelor termochimice (I.F. cu absorbtie).

Instalatia frigorifica functioneaza daca exista cel putin doua surse de caldura: o sursa rece (corpul sau mediul racit) de la care se extrage caldura si o sursa calda, reprezentata in mod obisnuit prin mediul inconjurator, in care se evacueaza caldura.

Conform principiului al doilea al termodinamicii, functionarea unei instalatii frigorifice in scopul transferului de caldura de la sursa rece, cu temperatura tr, la sursa calda cu temperatura t3, (ta>tr) este posibila doar daca se consuma energie electrica, mecanica sau termica.

Substanta care asigura racirea sau mentinerea temperaturii scazute se numeste agent frigorific. Acesta parcurge circuitul inchis al instalatiei frigorifice.

Producerea energiei termice si a frigului

Pentru a putea fi circulat in instalatie, agentul frigorific trebuie sa fie in stare fluida. In scopul preluarii unei cantitati de caldura cat mai mari si pentru a fi posibila mentinerea temperaturii constante la sursa rece, se prefera schimbarea de faza prin vaporizarea agentulu; si nu incalzirea lui in stare lichida sau de vapori.

Cele mai utilizate instalatii frigorifice in industria alimentara sunt cele cu comprimare mecanica de vapori (I.F.C.M.V.). In cadrul acestor instalatii exista doua aparate principale de schimb de caldura: vaporizatorul V in care agentul se vaporizeaza la temperatura t0 si condensatorul K in care agentul se condenseaza la temperatura tk. Pentru a fi posibil transferul de caldura fntre agent si surse trebuie sa se asigure diferentele de temperatura in aparate, deci: t0<tr si tk>ta. La temperaturile t0 si tk corespund presiunile p0 si pk (pk>Po).

Schema fluxurilor energetice si schema de principiu a instalatiei frigorifice se prezinta in figura 1.

Fig 1 Schema fluxurilor energetice si schema de principiu a instalatiei frigorifice

Marimea <t>0[kW] reprezinta cantitatea de caldura extrasa de agent in unitatea de timp de la sursa rece si se numeste putere frigorifica. Ridicarea presiunii vaporilor de la presiunea p0 la presiunea p„ se realizeaza cu ajutorul ccmpresoruiui C iar reducerea presiunii lichidului de la p. la p0 se efectueaza cu ajutorul ventilului de laminare VL. In mediul ambiant este cedata in unitatea de timp calduros 0k=0o+Pc [kW] unde Pc este puterea necesara comprimarii agentului frigorific.

Pe acelasi principiu functioneaza si pompele de caldura (fig.2a) pentru care mediul ambiant reprezinta sursa rece, iar sursa calda este reprezentata prin apa sau aerul incalzit. Scopul pompei de caldura este de a asigura fluxul de caldura mediului incalzit la temperatura

t0.

a b

Fig 2 a)Schema fluxurilor energetice pentru pompa de caldura; b) Procesele simple de obtinere a

temperaturilor scazute

Dintre procesele simple utilizate pentru obtinerea temperaturilor scazute cele mai raspandite sunt: destinderea in masini (detentoare) si laminarea in ventile de reglaj (de laminare).

Destinderea in detentoare se aplica in cazul gazelor in conditii care cer destinderea se realizeaza izentropic (fig.2b). In acest caz, la destinderea gazului cu starea 1 cu si fi pana la presiunea p2, se obtine o scadere a temperaturii Ars=7i -T2s. Prin destindere se obtine un lucru mecanic iD=hrh2s. intre aceste limite de presiuni, in conditii reale, la o destindere politropica 1-2p se obtine : cadere mai mica de temperatura ATP-T^ -T2p < ATS.

Laminarea adiabatica (h=ct), realizata in ventile de laminare, se foloseste in cazul reducerii presiunii agentilor lichizi sau in cazul gazelor care au fost racite sub temperatura ambianta.

Utilizarea ghetii si a amestecurilor refrigerente

Gheata hidrica, sub forma de blocuri sau sub forma maruntaj este folosita in industria alimentara pentru refrigerarea produselor. Procedeul este utilizat industrial la refrigerarea pestelui si a unor soiuri de legume, a produselor care necesita, pe langa o racire rapida, si mentinerea in stare umeda a suprafetei lor un timp mai indelungat. Se utilizeaza gheata marunta: cilindrica, solzi, zapada. Produsele supuse refrigerarii sunt, de regula, preambalate in lazi de lemn in care se adauga gheata marunta. Efectul de racire se bazeaza pe preluarea de la produse a unei calduri echivalente caldurii latente de topire a ghetii (l=335 kJ/kg). Viteza de refrigerare este cu atat mai mare cu cat dimensiunile bucatilor de gheata sunt mai mici. Lazile cu produse si gheata sunt mentinute in spatii racite sau izoterme, astfel asezate, incat sa permita scurgerea si evacuarea apei provenite de la topirea ghetii.

Gheata eutectica se obtine prin inghetarea solutiilor eutectice la temperaturi sub 0 °C. Gheata eutectica este utilizata ca sursa de frig la racirea vagoanelor si a autodubelor de transport al produselor alimentare, la racirea conteinerelor izolate termic s.a.

Gheata uscata (dioxid de carbon solid) are proprietatea ca, la presiunea atmosferica, sublimeaza (trece direct in stare de vapori) la temperatura de -78 °C.

Amestecurile refrigerente (apa-sare, gheata-sare etc.) sunt insotite de efecte endoterme, deci de scaderea temperaturii. Se utilizeaza numai in scopuri de laborator.

Producerea energiei termice si a frigului

Producerea temperaturilor scazute prin evaporare in sistem deschis. La conditionarea aerului se utilizeaza, in unele cazuri, procedeul de racire prin evaporarea apei. in acest caz, intensitatea procesului de racire este determinat de marimea suprafetei de contact dintre apa care se evapora sj aerul care se raceste si se umidifica precum si de viteza aerului.

Producerea temperaturilor scazute prin vaporizarea unor lichide la saturatie. La presiunea atmosferica, unele gaze lichefiate vaporizeaza la temperaturi scazute si au o caldura latenta de vaporizare apreciabila. Produsele care pot fi congelate prin acest procedeu sunt: fructe si legume, produse de patiserie si panificatie, carne portionata, peste, pasari, preparate culinare, semipreparate din carne tocata, inghetata.

Agentii criogenici utilizati in acest scop sunt: azotul sj aerul lichid, protoxidul de azot, dioxidul de carbon. Ca metode de congelare se folosesc: imersia, aspersia si convectia in curent de vapori.

Aparatele de congelare prin contact direct cu azot sau cu aer lichid functioneaza in flux continuu, lucrand prin aspersie si prin convectie de vapori. Produsele sunt deplasate In lungul aparatului pe benzi transportoare, cu miscare liniara sau spirala. Aparatele de congelare cu banda, in miscare liniara, cuprind trei sectiuni si anume: sectiunea pentru racirea preliminara cu azot gazos, sectiunea pentru congelare cu azot lichid (prin aspersie) sj sectiunea pentru uniformizarea tempe-aturilor produsului cu azot gazos. Produsele alimentare, asezate pe banda transportoare, trec succesiv prin cele trei sectiuni. Temperatura finala a produsului poate fi reglata prin variatia vitezei benzii si prin reglarea debitului de azot lichid pulverizat.

Agenti frigorifici si purtatori de caldura

Agentii frigorifici sunt fluide care transporta, in cadrul unei instalatii frigorifice, caldura preluata de la corpul supus racirii, catre mediul ambiant reprezentat prin apa sau aerul de racire al condensatorului.

Agentii frigorifici trebuie sa raspunda la o serie de cerinte: temperatura normala de vaporizare (la presiunea de 760 mmHg) cat mai scazuta, temperatura de solidificare cat mai scazuta, presiuni convenabile in conditiile de lucru ale instalatiei, volum specific al vaporilor aspirati de compresoare cat mai mic, caldura latenta de vaporizare cat mai mare, sa nu fie toxici, sa nu fie inflamabili sau explozibili, sa fie stabili sub aspect chimic, sa fie inerti fata de materialele cu care vin in contact si fata de aer, apa si uleiurile de ungere.

Se prezinta in continuare principalii agenti frigorifici utilizati in industria alimentara.

Freonii sunt utilizati pe scara larga in tehnica frigului datorita avantajelor pe care le prezinta: neutralitate chimica, exponenti adiabatici mici, temperaturi mici la finele comprimarii.

Dezavantajele freonilor: vascozitatea lor redusa favorizeaza scaparile de agent, solubilitate cu uleiul de ungere, coeficienti de transfer de caldura mai mici decat la amoniac. Freonii ataca garniturile si se recomanda utilizarea unor materiale rezistente la actiunea freonilor.

Datorita problemelor foarte grave cauzate de distrugerea stratului de ozon de catre unii freoni asistam, In prezent, la mutatii deosebite in tehnica frigului mate-rializate prin inlocuirea unor agenti frigorifici cu altii care sa corespunda sub aspect ecologic. In acest sens, Protocolul de la Montreal din 1987 a stabilit masurile de limitare a producerii si utilizarii substantelor distrugatoare ale stratului de ozon atmosferic. Cu acea ocazie s-a stabilit injumatatirea emisiilor de CFC (clor-flluor-carbon) pana In 1989 si stoparea acestora pana in 1992.

Comunitatea Europeans, dupa amendamentele facute la Londra In 1990, a propus prin Protocolui de la Copenhaga din 1992 sa se renunte la CFC pana in 1995.

Au fost stabilite cateva criterii de apreciere a agentilor frigorifici prin impactul pe care il au asupra atmosferei:

– ODP – Potentialul distructiv asupra ozonului;

– GWP – Global Warming Potential – ca o masura a efectului direct asupra incalzirii planetei;

– TEWI-Total Equivalent Warming Impact – ca o masura asupra efectului de incalzire cauzat atat prin efectul de sera produs de scaparile de agent, cat si prin dioxidul de carbon rezultat in instalatiile de producere a energiei electrice necesare actionarii instalatiei frigorifice.

Se prezinta in continuare cateva solutii de inlocuire a unora dintre agentii frigorifici folositi pana acum, asa cum sunt gandite acestea pe plan international, in acest moment. Domeniul agentilor frigorifici este un domeniu intens cercetat sj, desigur, pot interveni modificari in urma descoperirii de noi substante care sa raspunda mai bine cerintelor de ordin ecologic.

Substituenti la CFC. Cei mai promitatori inlocuitori ai CFC pareau a fi HCFC (hidrogen-clor-fluor-carbon) si HFC (hidrogen-fluor-carbon), in care unul sau mai multi atomi de hidrogen sunt incorporati in legatura moleculara, inlocuind partial (HCFC) sau total (HFC) atomii de clor.

Din pacate, marind continutul de hidrogen, pericolul inflamabilitatii devine mai mare, In timp ce, cu cat continutul de fluor este mai mare, cu atat mai mare este potentialul de incalzire globala (GWP), parametru ce se refera la efectul de sera.

Deci HCFC (in special R22) pareau cea mai promitatoare solutie de inlocuirea CFC, dar semnatarii Protocoiului de la Montreal au convenit la Copenhaga ca HCFC sa aiba numai un rol tranzitoriu, anul 2030 fiind limita pana la care este permisa utilizarea lor.

In aceste conditii, HFC care nu contin clor sunt freonii considerati inlocuitorii ideali ai CFC si ai HCFC. Dintre HFC numai R134a, R152 si R23 sunt neinflamabili si netoxici, R134a inlocuind deja cu succes R12 In frigiderele casnice, transportul frigorific si conditionarea aerului. Utilizarea R134a este insa limitata la temperaturi care nu scad sub -25°C; nu pot fi folositi Tn regiuniie calde si umnede, din cauza higroscopicitatii uleiului folosit.

In prezent, cei mai folositi inlocuitori pentru CFC raman HCFC, pe langa proprietatiie tehnice ideale, prevaland usurinta procurarii lor (cantitati suficiente, pret accesibil).

Hidrocarburi pure ca substituenti. O parte a cercetatorilor si-au indreptat atentia asupra hidrocarburilor (propan, butan, pentan), care pot fi folosite ca alternative in multe situatii, in cazul in care sunt optimizate ecologic din punct de vedere al puritatii.

Instalatiile pentru depozitarea si manevrarea CFC pot lucra in siguranta cu hidrocarburi, numai cu conditia sa se faca modificari importante din cauza limitelor inflamabilitatii hidrocarburilor in aer. Hidrocarburile testate (propan, normal-butan sj izobutan) au urmatoarele calitati: ODP = 0, GWP = 0, nu sunt toxice, nu sunt poluante, au pretul de fabricate mai mic, de cel putin 4 ori, in comparatie cu orice alt inlocuitor al CFC aflat pe piata.

In tabelul 1 se prezinta o clasificare a agentilor frigorifici alternativi, iar in tabelul 2 se prezinta alternative pentru agentii frigorifici HFC sj HCFC.

Tab 1 Clasificarea agentilor frigorifici alternativi

Tab 2 Alternative pentru agentii frigorifici HFC sj HCFC.

Agenti intermediari de racire (purtatori de caldura)

Acestia sunt fluide utilizate, de obicei, in faza lichida in sisteme de racire in care caldura este preluata de la mediul racit si transferata agentului frigorific. Ei se utilizeaza in instalatiile la care contactul agentului frigorific cu produsul racit poate avea efecte nedorite, sau in cazurile in care eventualele scapari de agent pot fi periculoase pentru personalul de deservire. In acest caz, intre mediul racit si vaporizator apare un circuit secundar parcurs de agentul intermediar, numit si agent purtator de caldura. Acesti agenti trebuie sa satisfaca urmatoarele cerinte: temperatura joasa de congelare, vascozitate redusa, caldura specifica mare, actiune corosiva redusa in raport cu metalele feroase si neferoase, stabilitate chimica, toxicitate redusa, neinflamabilitate si lipsa pericolului de explozie.

La nivelul frigului moderat, cei mai utilizati agenti intermediari de racire sunt saramurile, adica solutiile de clorura de sodiu si clorura de calciu in apa si solutiile apoase de alcool (alcool etilic, mono- si dietilenglicol, propilenglicol, glicerina, poliglicoli).

In functie de concentratie, aceste solutii apoase au o anumita temperatura de congelare. In fig. 3 se prezinta grafic aceasta dependenta intre temperatura de congelare si concentratie pentru solutiile de NaCI si CaCI2 in apa. Evident, pentru x=0 rezulta ca temperatura de congelare este de 0°C. La cresterea concentratiei, aceasta temperatura scade. La o anumita concentratie xE in punctul eutectic, temperatura de

congelare devine minima. In cazul solutiei de clorura de sodiu, temperatura minima de congelare este de -21,2°C la xE=0,231. In cazul solutiei de clorura de calciu, aceasta temperatura este de -55°C la xE =0,303.

Pentru prevenirea Inghetarii solutiei la o eventuala scadere a temperaturii de vaporizare t0, se alege temperatura de solidificare a solutiei cu 8…10°C mai mica decat temperatura t0:

tsol = t0-(8…10)°C

Cu temperatura tsol determinata, se afla apoi, din tabele sau diagrame, concentratia corespunzatoare a solutiei.

Fig. 3. Influenta concentratiei asupra temperaturii de congelare a solutiilor de NaCI (a) si CaCI2 (b).

Cap 2 Instalații frigorifice cu compresie mecanică de vapori intr-o treapta

2.1. Instalatia cu amoniac R717

Figura 2.1 : Schema teoretică a instalației cu compresie mecanică pentru amoniac

V – vaporizator; SL – Separator de lichid; K – compresor; SU – separator de ulei; C – condensator; R – rezervor de amoniac lichid; SR – subrăcitor de lichid; VL – ventil de laminare

Figura 2.2 : Ciclul termodinamic teoretic

1 – 2 proces de comprimare adiabatică; 2 –2’ proces de răcire a vaporilor; 2’ – 3 proces de condensare; 3 – 4 proces de subrăcire în subrăcitor; 4 – 5 proces de laminare; 5 – 1 proces de vaporizare

2.2. Calculul termic al instalatiei cu amoniac

Figura2.3 Variatia de temperatura a agentilor frigorifici

[ºC]

Figura 2.4. Variatia de temperatura a agentilor in condensator

[ºC]

Figura 2.5. Variatia de temperatura a fluidelor in subracitor

[ºC]

Parametrii termodinamici ai punctelor caracteristice

După determinarea temperaturilor și se pot determina nivelele de presiune la schimbarea de fază și , stabilindu-se din tabelele amoniacului pe curba de saturație parametrii punctelor 1, 2’, 3, 6.

Parametrii celorlalte puncte se citesc din diagrama amoniacului după trasarea procesului.

Puterile termice și energetice ale instalației

Puterea frigorifică masică [kJ/kg]

Puterea frigorifică volumică [kJ/m3]

Debitul masic de amoniac [kg/s]

Puterea termică masică de condensare [kJ/kg]

Puterea termică totală a condensatorului [kW]

Lucrul mecanic de comprimare [kJ/kg]

Puterea totală de comprimare [kW]

Puterea masică a subrăcitorului [kJ/kg]

Puterea termică totală a subrăcitorului [kW]

Bilanțul energetic al IFCM pentru amoniac

Coeficientul de performanță al IFCM pentru amoniac

2.3. Instalatia frigorifica pe freon R404A

Figura 2.6 Schema teoretica a instalatiei cu compresie mecanica pentru freoni

V – vaporizator; SCR – schimbător de căldură recuperativ; K – compresor; C – condensator; VL – ventil de laminare termostatat.

Figura 2.7. Ciclul termodinamic teoretic

1 – 1’ supraîncălzirea vaporilor în vaporizator; 1’ – 1” supraîncălzirea vaporilor în SCR; 1” – 2 comprimare adiabatică; 2 –2’ răcire a vaporilor; 2’ – 3 condensare; 3 –4 subrăcire a lichidului; 4 –5 laminare; 5-1 vaporizare.

2.4. Calculul termic al instalatiei cu freon

Figura 2.8. Variatia de temperatura a agentilor in vaporizator

[ºC]

Figura 2.9. Variatia de temperatura a agentilor termici in condensator

[ºC]

Se propun temperaturile vaporilor supraîncălziți în aspirația compresorului

[ºC]

[ºC]

Din bilanțul termic pe SCR rezultă entalpia lichidului subrăcit

Parametrii termodinamici ai punctelor caracteristice

După determinarea temperaturilor și se pot determina nivelele de presiune la schimbarea de fază și , stabilindu-se din tabelele de freoni pe curba de saturație parametrii punctelor 1, 2’, 3, 6.

Parametrii celorlalte puncte se citesc din diagrama amoniacului după trasarea procesului.

Puterile termice și energetice ale instalației

Puterea frigorifică masică [kJ/kg]

Puterea frigorifică volumică [kJ/m3]

Debitul masic de amoniac [kg/s]

Puterea termică masică de condensare [kJ/kg]

Puterea termică totală a condensatorului [kW]

Lucrul mecanic de comprimare [kJ/kg]

Puterea totală de comprimare [kW]

Puterea masică a subrăcitorului [kJ/kg]

Puterea termică totală a subrăcitorului [kW]

Puterea termică masică a SCR [kJ/kg]

Puterea termică totală a SCR [kW]

Bilanțul energetic al IFCM pentru freoni

Coeficientul de performanță al IFCM pentru freoni

Capitolul 3 Parti componente instalatii frigorifice cu amoniac si freon

3.1. Vaporizatoare pentru racirea aerului.

Se utilizeaza pentru racirea aerului din frigorifice. Dupa modul de circulare a aerului, exista elemente de racire cu circulate naturala a aerului, in care transferul de caldura la exteriorul tevilor se face prin convectie naturala si racitoare de aer, care sunt prevazute cu ventilatoare pentru circulatia aerului.

Elementele de racire se executa din netede sau cu aripioare si sunt utilizate, frecvent, pentru spatiile de pastrare a produselor racite sau congelate.

Alimentarea cu agent se face pe la partea inferioara a elementelor. Elementele de racire cu circulatie naturala a aerului se amplaseaza in spatiul frigorific si pot fi de perete sau de plafon.

Racitoarele de aer sunt constituite din baterii de vaporizatoare montate in interiorul unei carcase si din ventilatoare pentru fortata a aerului printre tevi si aripioare. La partea inferioara se afla o tava de colectare a apei provenite de la decongelarea suprafetelor de racire.

Fig3.1. Vaporizator amoniac

Fig. 3.2 Vaporizator freon

Vaporizatoarele orizontale pentru amoniac (figura 3.1) se compun dintr-o manta cilindrică , prevăzută cu colector de vapori pe racordul de aspirație al compresorului și colector de ulei la partea inferioară. Țevile din interiorul mantalei sunt fixate în plăcile tubulare . Vaporizarea agentului (amoniacului) se realizează în spațiul intratubular. Lichidul răcit circulă în interiorul țevilor. Vaporizatorul mai are în racordurile de evacuare a lichidului răcit și de alimentare , precum și racordul de alimentare a agentului frigorific lichid.

În cazul folosirii acestui tip de vaporizator pentru agent frigorific freon, acesta circulă prin țevi și lichidul răcit printre țevi

3.2. Condensatorul

Condensatoarele frigorifice aparate principale de schimb de caldura in interiorul carora vaporii de agent supraincafzit se racesc pana la saturatie si, apoi, se condenseaza cedand caldura unui agent de racire (apa, aer sau mixt).

3.2.1. Condensatoarele racite cu apa. Se folosesc pentru cu putere frigorifica, in general, superioara valorii de 3 kW. La instalatiile de putere mica se foloseste circuitul deschis pentru apa (fara recirculare), iar la cele de putere mare, apa parcurge un circuit inchis (cu recirculare), fiind racita in turnuri de racire.

3.2.2.Condensatoarele racite cu aer. Se utilizeaza la instalatiile de putere mica

folosite in reteaua comeriala, in mod frecvent. In cazul freonilor se folosesc tevi din cupru §i aripioare din aluminiu.

3.2.3.Condensatoarele racite mixt. Pot fi cu evaporare fortata sau atmosferice. Condensatoarele cu fortata sunt prevazute cu ventilatoare care circula aerul de jos in sus, in contracurent cu apa care este pulverizata prin duze de stropire la partea superioara. Caldura de condensare este preluata in cea mai mare parte prin evaporarea unei parti din apa pulverizata. Picaturile de apa antrenate de aer sunt retinute de un separator de picaturi. Consumul de apa este mult redus in raport cu aparatele multitubulare racite cu apa in circuit deschis. Acest tip de condensator este cel mai folosit in prezent in instalatiile frigorifice din industria alimentara.

Condensatoarele cu evaporare e monteaza in aer liber deasupra salii de masini sau, daca rezervoarele de amoniac sunt amplasate in exteriorul salii de masini, ele se monteaza pe suporturi de beton sau metal deasupra acestora pe o platforma. La punerea in functiune a condensatoruiui se va verifica sensul curentului de aer. Se interzice functionarea condensatorului cu un singur ventilator in functiune. In exploatare trebuie asigurata o stropire corecta a serpentinelor de condensare prin curatirea periodica a duzelor. Frecventa reviziilor pentru a se asigura o functionare in bune conditiuni depinde, in special, de duritatea apei folosite. Se va efectua cel putin o revizie pe an, pentru: curatire, reparatii; proba de presiune; revopsire si ungerea rulmentilor electroventilatoarelor.

Condensatoarele atmosferice formate din panouri verticale de tevi sub forma de serpentina sau gratar, udate in pelicula de apa recirculata. Incalzirea apei cu 2…3°C si evaporarea unei parti din aceasta asigura racirea si condensarea vaporilor. Condensatoarele atmosferice sunt constructii mai vechi, intalnite la multe instalatii frigorifice din industria alimentara, dar, la constructiile recent realizate, au fost introduse condensatoarele cu evaporare fortata.

Fig. 3.3 Condensator cu amoniac

Fig. 3.4 Condensator cu freon

3.3. Separatorul de lichid

Separatorul de lichid este un care se monteaza intre vaporizator si compresor si indeplineste doua functii importante:

– separa picaturile de agent frigorific lichid antrenate de vaporii reci produsi in vaporizator, protejand astfel compresorul impotriva loviturilor de lichid care s-ar produce daca acesta ar patrunde in masina;

– separa vaporii formati in ventilul de laminare si, astfel, se asigura alimentarea prin gravitatie, numai cu lichid a vaporizatoarelor.

Separatoarele de lichid se monteaza in apropierea vaporizatoarelor pe care le deservesc, dar la un nivel superior pentru a fi posibila alimentarea prin "autorecirculare". Se fabrica separatoare de lichid verticale (SLV) si orizontale (SLO), cum se indica in figura urmatoare:

Fig. 3.5 Separatoare de lichid a – orizontal; b – vertical

Dimensionarea separatoarelor de lichid se face alegand o viteza maxima de circuiatie a vaporilor de 0,5 m/s pentru a fi posibila separarea picaturilor de lichid. Separarea se produce nu numai prin scaderea brusca a vitezei dar si prin schimbarea directiei de curgere.

Separatoarele acumulator se utilizeaza la instalatiile frigorifice cu alimentare prin pompe a vaporizatoarelor, avand functia de separator de lichid si cea suplimentara de a putea acumula agentul lichid din toate vaporizatoarele deservite. Sunt recipiente de mare capacitate, orizontale sau verticale (fig. 25.28), care asigura alimentarea in bune conditii a mai multor consumatori de frig cu aceeasi temperatura.

3.4. Separatoarele de ulei

Separatoarele de ulei sunt care se monteaza pe refularea compresoarelor, in special la instalatiile frigorifice cu amoniac. Pentru fiecare compresor se prevede cate un separator de ulei. Separarea uleiului din amestecul cu agent frigorific se realizeaza prin schimbarea brusca a vitezei si a directiei amestecului, realizarea de socuri pe pereti si racirea amestecului.

Prezenta acestor pe circuitele de refulare ale compresoarelor impiedica patrunderea uleiului in condensatoare si vaporizatoare si, prin aceasta, se evita inrautatirea transmisiei de caldura ca urmare a depunerii uleiului pe suprafetele aparatelor.

Fig. 3.6 Seperator de ulei

Aceasta componenta a instalatiei frigorifice se regaseste doar la instalatiile frigorifice cu amoniac aceasta fiind o imbunatatire considerabila a instalatiei pentru ca pe langa faptul ca separa agentul frigorific de ulei mai are si calitatea ca intoarce uleiul in compresor mentinandu-i acestuia un nivel constant.

Fig. 3.7 Seperator de ulei amoniac

Acest separator de ulei are rol si de subracitor. Astfel in interiorul lui se afla o serpentina care este racita cu ajutorul lichid. Separatorul de ulei mai este dotat si cu un ventil de purjare prin care, la un interval de timp, se elimina manual toate impuritatile care se depun in partea de jos a recipientului.

3.5 Rezervoarele de agent frigorific lichid

Rezervoarele de agent frigorific lichid se monteaza dupa condensator si colectarea agentului lichid in timpul functional, colectarea agentului lichid dintr-o portiune a instalatiei care necesita golirea pentru o interventie in caz de avarie. In plus, lichidul din aceste aparate constituie o rezerva-tampon, asigurand o buna functionare a instalatiei cand sarcina frigorifica se modifica. Rezervoarele se monteaza, de regula, in sala de masini sau in apropierea acesteia. Ele sunt prevazute cu indicator de nivel, supape de siguranta, manometru, purjare aer si evacuare ulei .

Fig. 3.8. Rezervor de amoniac lichid.

Fig. 3.8. Rezervor de amoniac lichid.

Se observa din cele doua poze ca rezervorul pe amoniac este mult mai mare decat cel pe freon. Dupa cum spuneam mai sus cantitateta de agent frigorific ajuta la o mai buna functionare a instalatiei.

Fig. 3.8. Rezervor de freon lichid

3.6. Buteliile de racire intermediara

Buteliile de racire intermediara sunt recipiente utilizate la instalatiile frigorifice in doua trepte de comprimare, avand rolul de a raci vaporii refulati din treapta de joasa presiune, de a separa uleiul si, eventual, de subracire a agentului frigorific lichid fara serpentina.

Fig. 3.9. Butelie de racire intermediara serpentina.

Fig. 3.10. Butelie de racire intermediara serpentina cu amoniac

Aceast tip de butelie este prezent doar la instalatiile frigorifice pe amoniac. Butelia de racire intermediara cu prescurtarea BRI are un rol foarte important intr-o instalatie frigorifica deoarece aici se produc mai multe procese.

3.7.Deshidratorul

Deshidratorul serveste la retinerea apei din agentul frigorific si indepartarea ei. Prezenta apei in instalatie este daunatoare respunzatoare a agentului frigorific, in special in cazul utilizarii agentilor foarte putin miscibili cu apa, al celor ce devin agresivi fata de materialele instalatiei sau fata de uleiul de ungere. Deshidratoarele sunt umplute cu substante absorbante sau adsorbante fata de apa, cum ar fi: clorura de calciu, silicagelul, sulfatul de calciu. Se monteaza pe circuitul de lichid inaintea ventilului de reglaj.

3.8. Filtrele

Filtrele au rolul de a retine corpurile care circula prin conducte si aparatele instalatiei. Ele se monteaza pe circuitul de vapori, pe conducta de aspiratie la intrarea in compresor si pe partea de lichid, inaintea ventiluiui de reglaj. Retinerea impuritatilor se realizeaza prin trecerea agentului frigorific prin una sau mai multe site cu ochiuri foarte fine si prin micsorarea vitezei de curgere a agentului.

3.9. Pompele

Pompele sunt utilizate in instalatiile frigorifice la circulatia agentilor intermediari, a agentului frigorific lichid in circuitele de joasa presiune, la circulatia apei de racire si a uleiului de ungere.

3.10.Ventilatoarele

Ventilatoarele sunt masini rotative care asigura circulatia aerului in vederea intensificarii schimbului de caldura.

3.11. Compresoarele frigorifice

Principalele tipuri de compresoare utilizate in tehnica frigului si domeniile de utilizare ale acestora sunt prezentate in tabelul urmator:

Compresoarele cu piston fac parte din familia compresoarelor volumice alternative si pot fi de trei tipuri constructive:

deschis, reprezentat in figura 3.11;

semiermetic, reprezentat in figura 3.12;

ermetic, reprezentat in figura 3.13;

Figura 3.11. Compresor deschis

Compresoarele deschise se pot cupla cu motoare separate, de tip electric sau termic si pot vehicula orice tip de agent frigorific. In general sunt utilizate pentru puteri frigorifice medii si mari.

Compresoarele semiermentice sunt cuplate direct la un motor electric inchis intr-un carter demontabil comun. Nu pot vehicula decat freoni si se utilizeaza pentru puteri medii.

Compresoarele ermetice se aseamana cu cele semiermetice, dar sunt inchise impreuna cu motorul intr-o carcasa etansa nedemontabila (sudata). Nu pot vehicula decat freoni si se utilizeaza pentru puteri mici si medii.

In figura 3.14 este reprezentat interiorul unui compresor deschis cu piston.

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

in general compresoarele sunt cu simplu efect;

comprimarea se realizeaza politropic;

in compresoarele industriale sunt foarte utilizate supapele cu discuri inelare, care se intalnesc uneori si in cele semiermetice, in locul supapelor lamelare;

– racirea cilindrilor este cel mai adesea realizata de vaporii aspirati, care in consecinta se incalzesc in procesul de aspiratie;

racirea vaporilor in timpul comprimarii se poate realiza prin injectie de agent frigorific lichid (ceea ce prezinta insa pericolul producerii de lovituri hidraulice, deci nu este o metoda utilizata in mod curent);

-comprimarea in doua trepte este avantajoasa daca raporul de comprimare depaseste valoarea 7, sau daca temperatura finala de refulare depaseste valoarea de 125.. ,135°C;

intre treptele de comprimare se realizeaza raciri intermediare, de regula cu apa sau cu aer.

Cilindrii – pot fi prelucrati prin procedee de precizie ridicata, direct in corpul carterului, pana la suprafata oglinda, sau pot fi realizati din camasi amovibile prelucrate din fonta extrafina centrifugata, avand tot suprafata oglinda. Partea inferioara a camasii se monteaza pe carter, iar in partea superioara a acesteia se monteaza supapele de aspirate. Diametrul interior defineste alezajul D, exprimat in milimetri. Chiulasa care inchide cilindrii poate sa fie comuna pentru mai multi cilindri.

Pistonul – este realizat din aliaj de aluminiu, cu o prelucrare particulara a capului, conforma cu forma supapelor, in scopul reducerii la minim a spatiului mort. Pistonul este prevazut cu doi sau trei segmenti din fonta cromata si un segment raclor pentru uleiul de ungere.

In fusta pistonului sunt prevazute orificiile pentru montarea boltului, realizat sub forma tubulara din otel de inalta rezistenta (90 kgf/mm2). Pe bolt este asamblat piciorul bielei.

Deplasarea pistonului intre punctul mort interior si punctul mort exterior, constituie cursa S, exprimata in milimetri si indicata de firmele constructoare in cataloage.

Supapele – ca si la majoritatea compresoarelor pentru diverse gaze, sunt realizate din discuri inelare concentrice, cele de aspiratie la periferie, iar cele de refulare in zona axiala, ca in figura 3.15. Cursa supapelor este redusa, iar sectiunile de trecere se calculeaza pe baza urmatoarelor viteze:

30.40 m/s pentru freoni;

50.60 m/s pentru amoniac.

Legislatiile unor tari europene impun ca pentru compresoarele deschise avand cilindreea peste 25 m3/h pe cilindru, sa fie prevazut un dispozitiv anti lovituri hidraulice, care poate sa fie reprezentat de un resort elicoidal. Acesta mentine in pozitie normala de functionare ansamblul supapelor de refulare, dar in cazul unui aflux de lichid, resortul trebuie sa se poata comprima si sa lase supapa sa se ridice de pe scaunul sau, pentru a permite curgerea lichidului.

Compresoarele frigorifice actuale difera putin de la un constructor la altul si in afara unor detalii tehnologice, au in comun cinci elemente specifice, care prezinta unele particularitati fata de compresoarele pentru gaze.

Carterul – se realizeaza in general din fonta cu granulatie fina (Ft25), etansa pentru agentii frigorifici si turnat dintr-o singura bucata, cu toate orificiile pentru montarea camasilor de cilindri, cuzinetilor pentru lagarele palier si pentru vizitare.

Grosimile fontei sunt determinate pentru a rezista la presiunile care se manifesta in diferite zone ale compresorului. Dupa realizarea prelucrarilor mecanie (uzinaj), carterul este supus unor probe hidraulice la o presiune de doua ori mai mare decat cea nominala de lucru.

Cilindrii sunt dispusi in linie, in V in W sau in VV, adica in stea. Astfel se pot realiza masini cu 2, 3, 4, 6, 8, 9, 12 sau 16 cilindri. In acest mod constructorii pot sa realizeze serii de compresoare bazate pe una sau doua perechi de alezaj / cursa (D/S), in conditiile unei foarte bune compactitati, unui echilibraj foarte bun si cu un numar redus de ambielaje si elemente constructive (dintre care multe sunt comune unei intregi serii de compresoare).

Carterul prezinta doua spatii despartite de un perete obtinut prin turnare:

partea superioara cuprinde camasile de cilindru si constituie camera de aspiratie;

partea inferioara cuprinde arborele cotit (vibrochenul) si baia de ulei.

Cele doua spatii comunica intre ele prin orificii de echilibrare a presiunii, astfel incat si partea inferioara a carterului sa se gaseasca tot la presinea de aspiratie.

Aceasta dispunere prezinta urmatoarele avantaje:

-partea inferioara se gaseste la presiuni apropiate de cea atmosferica, deci sunt

posibile deschiderea si accesul in interior pentru operatii de intretinere;

permite returul spre baia de ulei a uleiului care se separa de vaporii de agent in

camera de aspiratie;

Figura 3.16 Compresor cu freon

Figura 3.17 Compresor cu amoniac

Capitolul 4 Studiu comparativ intre instalatia cu amoniac si instalatia cu freon

Productia de CFC a fost supusa unor restrictii severe progresive, in cadrul prevederilor cuprinse in articolele Protocolului de la Montreal. Atat in tarile dezvoltate, cat si in cele in curs de dezvoltare, HCFC-urile si HFC-urile au fost primii substituenti ai CFC-urilor. O abordare rationala a etapizarii consumului de HCFC-uri ca substante chimice de tranzitie ar trebui sa ingaduie o perioada minima de timp pentru a permite industriei sa se dezvolte si sa comercializeze substantele alternative si noile echipamente corespunzatoare, pentru a evita costurile inutile. Pentru timp scurt, HCFC-urile constituie inca o optiune valabila, ca substante de tranzitie, pentru instalatiile frigorifice si pentru echipamentele de aer conditionat. Totusi, pentru timp indelungat, pentru sistemele cu compresie mecanica de vapori, trebuie gasite alte substante. Prezenta lucrare s-a focalizat asupra urmatoarelor alternative:

tip HFC, amestecurile zeotrope (clasa 404, 407) ;

amoniacul (R-717);

Nici unul dintre agentii frigorifici mentionati anterior nu este perfect; toti prezinta atat avantaje cat si dezavantaje, care trebuie luate in seama de guverne, producatorii de echipamente, si in ultima instanta de utilizatorii lor. De pilda, HFC-urile au un potential global de incalzire relativ mare, amoniacul este mai toxic decat ceilalti agenti, iar hidrocarburile pot fi inflamabile in anumite situatii.

Eficienta energiei se leaga direct de incalzirea globala si de emisiile de gaze cu efect de sera. Astfel, aceasta ramane o exigenta foarte importanta pentru toate tehnologiile frigorifice si ea trebuie evaluata pentru intregul sistem frigorific (agent de lucru, echipament, conditii de functionare).

Cele doua tipuri de agenti frigorifici de mai sus se afla in diferite stadii de cercetare, producere sau comercializare.

HFC-urile si amestecurile lor sunt gaze cu efect de sera a caror emitere in atmosfera este restrictionata sever prin Regulamentul CE 842/2006 dar au inca o larga aplicabilitate in multe sectoare.

Amoniacul este din ce in ce mai utilizat in sectoarele unde poate fi usor stocat, dar si degajarile acestuia sunt restrictionate din punct de vedere al toxicitatii si inflamabilitatii.

Agentul frigorific R404A, poate fi folosit in instalatiile care functioneaza cu R502, cu anumite modificari si anume impune schimbarea tipului de ulei.

Proprietati si caracteristici termodinamice ale agentului de tranzitie R404A sunt :

-temperatura critica: 72°C

-presiunea critica: 37.2 bar

-densitate: 482.16 kg/m3

-componentele §i compozitia lor: R125 – 0.44%

R143a -0.52%

R134a -0.04%

-masa molara: 97.604 kg/ kmol

-nu este inflamabil in aer -ODP=0

-GWP= 3260

Un alt agent de tranzitie din clasa 400 este agentul frigorific R407C care a fost creat ca un substituent care nu distruge stratul de ozon, pentru inlocuirea agentului frigorific R22, intr-o varietate de sisteme frigorifice si de aer conditionat.

Proprietati si caracteristici termodinamice ale agentului de tranzitie R407C sunt :

-temperatura critica: 86.12 °C -presiunea critica: 46.29 bar

-densitate: 453.43 kg/m3

-componentele §i compozitia lor: R32 – 0.23%

R125 -0.25%

R134a -0.52%

-masa molara: 86kg/ kmol

-nu este inflamabil in aer

– DP= 0

-GWP= 1525

Amoniacul (NH3-R717) este cel mai utilizat agent frigorific atat pe plan mondial cat si national. Acesta este un gaz incolor cu miros caracteristic, principalul avantaj al acestui agent frigorific ecologic fiind proprietatile termodinamice §i trasferul de caldura. Este inert fata de otel, materiale plastice si nemiscibil cu uleiul prezentand o sensibilitate redusa in contact cu aerul umed sau apa din instalatie. Comparativ cu freonii necesita pentru aceeasi putere frigorifica energie primara mai mica. Dintre dezavantaje se mentioneaza:

-este toxic, explozibil si inflamabil la concentratii volumice in aer de 15…28% sau la concentratii si mai mici daca in amestec se afla vapori de ulei;

-provoaca leziuni mortale sau foarte grave;

-in contact cu ochii, gura, caile respiratorii produce iritatii;

-in prezenta apei ataca zincul, cuprul si aliajele acestora (alama, bronz), de aceea pentru instalatiile cu amoniac industriale se utilizeaza conducte si echipamente din otel;

Proprietati si caracteristici termodinamice ale agentului frigorific ecologic NH3 sunt:

-temperatura critica: 132.25°C

– presiunea critica: 113.33 bar

-densitate: 225 kg/m -masa molara: 17.03 kg/ kmol

-GWP= 0

-ODP= 0

Studiu comparativ

Se prezintă un studiu comparativ pentru 2 tipuri de instalații frigorifice utilizând agenții frigorifici de tranziție R404A, R407C și agenții frigorifici naturali cu o putere frigorifică Q=30kW; temperatura de vaporizare t1 = -25C ; temperatura de condensare t2= 40°C, gradul de subrăcire t3=5grd și un grad de supraîncălzire t4= 20grd. Aceste date inițiale au fost introduse în programe de calcul[10,11,12] a căror rezultate se văd în figurile 1-9 și tabelele 1-2. Tipurile de instalații au fost următoarele:

– instalație cu compresie mecanică într-o treaptă utilizând agenții frigorifici de tranziție clasa 400 și agenții frigorifici naturali NH3

Fig.4.1 Instalatie cu compresie mecanica intr-o treapta cu schimbator de caldura intern utilizand agentul frigorific de tranzitie R404A

.

Fig.4.2 Instalatie cu compresie mecanica intr-o treapta utilizand agentul frigorific natural NH3.

Fig.3 Compararea factorului TEWI intre agentul natural NH3 si agentiul de tranzitie R404A

Studiul comparativ al acestor instalatii a urmarit coeficientul de performanta al instalatiei dar si factorul TEWI. Se observa ca instalatia cu compresie mecanica intr-o treapta comparand agentii de tranzitie si cei naturali se observa ca agentii frigorifici cu coeficientul de performanta cel mai ridicat sunt NH3. Factorul TEWI are valoarea cea mai mica la agentii naturali pe primul loc fiind amoniacul.