Carte MF Nou

7/29/2019 Carte MF Nou

1/107

1. Introducere

1.1. Obiectul cursului

n cadrul cursului Maini frigorifice se studiaz capitole ale tehnicii frigorifice, care serefer la baze termodinamice ale rcirii artificiale, construcia, principiul de aciune i calculul

compresorului frigorific i al aparatelor de schimb de cldur. Conform principiului al doilea atermodinamicii, trecerea cldurii, n mod natural, fr consum de energie din exterior, are loc numaide la corpurile cu temperatur mai ridicat la cele cu temperatur mai sczut. Trecerea cldurii nsens invers se poate realiza numai pe baza unui consum de energie din exterior sub diferite forme:mecanic, termic, electric, chimic etc. Mainile i instalaiile n care se realizeaz asemenea

procese poart denumirea de transformatoare de cldur. Funcionarea acestora are loc ntr-uninterval de temperaturi definit de temperaturile celor dou izvoare sau surse de cldur. Poziiaacestui interval de temperaturi n raport cu temperatura mediului ambiant joac un rol important nclasificarea transformatoarelor de cldur. n cazul cnd temperatura sursei reci este inferioartemperaturii mediului ambiant care joac rolul rezervorului cald procesul este frigorific itransformatorul de cldur care permite realizarea acestui proces reprezint o main frigorific.Dac sursa rece este mediul ambiant, iar receptorul termic cald are o temperatur mai nalt,

procesul este caloric i transformatorul de cldur reprezint o main calorific sau pomp decldur. n cazul cnd sursa rece are temperatura mai joas dect temperatura mediului ambiant, iarrezervorul cald are potenial mai nalt, procesul este combinat i transformatorul de cldur n carese desfoar acest proces se numete instalaie combinat, frigorifico-caloric.

Pn n secolul trecut singura modalitate de efectuare a proceselor de rcire a corpurilor latemperaturi sub cea a mediului ambiant consta n utilizarea gheii i a unor amestecuri frigorificeobinute pe baza gheii i a srii.

Elaborarea i utilizarea primelor maini frigorifice a avut loc n secolul XIX. n 1810inginerul englez Lesli a construit primul generator de ghea. n 1834 medicul englez Perkins a

construit maina frigorific cu comprimare cu utilizarea eterului etilic ( 5225 HCOCH ). n1845 Gorri a inventat maina frigorific de aer cu utilizarea aparatului special a dispozitivului dedilatare. n 1872-1874 Boili i Linde au construit maina frigorific care e prototipul mainiifrigorifice contemporane.

1.2. Domeniile de utilizare a frigului artificial

Frigul artificial joac un rol important n dezvoltarea numeroaselor ramuri ale economiei, n

apariia unor ramuri ale tehnicii precum i n mbuntirea condiiilor de trai ale populaiei. Seremarc , n special, utilizarea frigului n:

- industria alimentar pentru conservarea i transportarea produselor alimentare uoralterabile, n vinificaie, fabricarea berii, ngheatei, produselor de cofetrie etc.;

- construcia de maini pentru obinerea oxigenului i gazelor inerte necesare pentru tiereai sudarea metalelor, precum i pentru prelucrarea oelurilor la temperaturi joase, ceea ce permitemrirea duritii i a rezistenei. Micorarea plasticitii i creterea duritii la temperaturi joase

permite mrirea eficacitii prelucrrii mecanice a multor materiale. Trebuie de remarcat i faptul cutilizarea frigului n tratamentul termic al metalelor permite stabilizarea dimensiunilor pieselor de

precizie i obinerea structurii necesare;

- metalurgie pentru intensificarea proceselor de topire a oelului, elaborarea fontei,3


2/107

feroaliajelor i a metalelor neferoase prin mbogirea aerului insuflat cu oxigen;- industria chimic pentru separarea amestecurilor de gaze i n particular, a aerului cu

obinerea oxigenului, azotului i a gazelor inerte. De asemenea, frigul este utilizat pentrucondensarea vaporilor, uscarea gazelor, separarea soluiilor complexe, cristalizarea srurilor,reglarea sensului i vitezei reaciilor chimice, precum i n scopul extragerii deiterului din hidrogentehnic, utilizat i n fabricarea fibrelor sintetice, a materialelor plastice precum i a cauciuculuisintetic;

- industria farmaceutic pentru producerea medicamentelor pe baz de penicilin,streptomicin, eter etc.;

- industria minelor i de construcii pentru congelarea solurilor i consolidarea minelor;- medicin pentru rcirea local n scop de anestezie n interveniile chirurgicale

(criochirurgie) precum i pentru pstrarea unor organe n scop de transplantare;- industria transporturilor feroviare, rutiere i maritime pentru transportarea produselor

alimentare, a gazelor lichefiate i a petelui;- energetic pentru crearea diferitelor dispozitive bazate pe superconductibilitate,

transformatoare i generatoare de putere mare, linii de transport a energiei electrice;- aviaie i cosmonautic pentru alimentarea cu oxigen a oamenilor la altitudine i n spaiulcosmic, pentru condiionarea aerului i pentru rcirea aparaturii electronice;

- sport pentru realizarea patinoarelor artificiale;- gospodrie pentru pstrarea i tratamentul termic al produselor alimentare.

1.3. Clasificarea mainilor frigorifice

Mainile frigorifice se pot clasifica dup: tipul de energie consumat, n funcie deproprietile i starea de agregare ale agenilor de lucru, tipul ciclului.

Dup tipul de energie consumat se pot deosebi maini cu comprimare, maini cu consum decldur, maini termoelectrice precum i maini cu jet.

Ca surs de energie la mainile cu comprimare se utilizeaz energia electric sau mecanic.La mainile cu consum de cldur se refer mainile cu sorbie, care se clasific la rndul lor nmaini cu absorbie i adsorbie. Principiul de lucru al mainilor cu sorbie este axat pe realizareasuccesiv a reaciilor termochimice de sorbie a agentului de lucru de ctre un sorbant, dup careurmeaz desorbia agentului din sorbant. Procesele de sorbie i desorbie joac n aceste mainirolul proceselor de aspiraie (destindere) i refulare (comprimare) executate de compresorulmecanic. n mainile cu adsorbie procesul de sorbie are loc la suprafaa adsorbantului care se afl,de regul, n stare solid.

Mainile termoelectrice care au la baz efectul Peltier, permit obinerea frigului prinutilizarea direct a energiei electrice. La trecerea curentului electric printr-un ansamblu format dindou materiale diferite se constat apariia unei deferene de temperatur la cele dou suduri alesistemului.

n funcie de proprietile i starea de agregare a agenilor de lucru, mainile frigorifice sempart n maini frigorifice cu vapori i cu gaze. Spre deosebire de mainile frigorifice cu gaze lacare starea de agregare a agentului nu se modific, la cele cu vapori este necesar condensareavaporilor comprimai i vaporizarea agentului destins.

Dup tipul ciclului mainile frigorifice se grupeaz n:- maini care acioneaz pe baza unui ciclu nchis. n aceste maini agentul de lucru trece

prin diferite elemente componente ale unui contur nchis, proces n care temperatura variaz ntre4


3/107

limitele impuse de cele dou surse de cldur. n aceast categorie se ncadreaz mainile cucomprimare mecanic de vapori, mainile cu absorbie, unele maini cu comprimare mecanic degaze precum i mainile cu ejector;

- maini ce funcioneaz pe baza unui proces deschis. Ele sunt caracterizate prin aceea c ntimpul funcionrii agentul este total sau parial extras din main. n locul agentului evacuat esteintrodus o nou cantitate de agent.

2. Principiile fizice de obinere a temperaturilor joase

Pentru obinerea temperaturilor moderat joase se utilizeaz: procesele de laminare i dedestindere adiabate, efectul turbionar (efectul Ranque), efectul termoelectric (efectul Peltier),transformrile fizice ale corpurilor lichide i solide.

2.1. Procesul de laminare

Procesul de laminare const n expansiunea gazelor sau lichidelor la trecerea lor prinventilele de laminare sau alte rezistene fr ndeplinirea lucrului exterior fiind nsoit de scdereapresiunii. Sunt dou cazuri: laminarea gazului ideal i laminarea gazului real.

2.1.1. Cazul gazului ideal

Pentru simplificarea analizei se consider c laminarea gazului ideal are loc n condiiiadiabate, cu neglijarea variaiei energiei cinetice a gazului. ntre seciunile 1 i 2 ale conductei ncare are loc laminarea (fig. 2.1), se poate scrie pentru 1 skg de agent c 02121 == tlq astfel

c, aplicnd ecuaia 2121 += tliq rezult: 0=i , sau consti = , ceea ce constituiecaracteristica laminrii adiabatice.n cazul ideal, deoarece Tci p= se ajunge la concluzia c 0=T sau constT= .

Schema de precizare a laminrii unui gaz ideal la aTT> este demonstrat n fig. 2.2 n diagramaST .

Fig. 2.1. Diagrama orificiului central

S-a artat c pierderile de presiunecare nsoesc circulaia fluidelor princonducte, schimbtoare de clduretc., pot fi echivalente cu efectele unor

procese de laminare. Astfel,

spre exemplu, n cazul schimbtorului de cldur analizat, variaiile temperaturilor celor doufluide pot fi schematizate sub forma unor evoluii reversibile izobare la finele crora se ataeaz

procese ireversibile de laminare, care determin scderi de presiune echivalente cu pierderile depresiune respective.

5


4/107

Fig. 2.2. Schema de precizare ndiagrama ST a laminrii unui

gaz ideal de la T la aT

2.1.2. Cazul gazului real

n cazul gazelor reale, scderea presiunii prin laminare este nsoit de o variaie atemperaturii cunoscut sub denumirea de efect Joule-Tomson de laminare. Sub form diferenialacest efect este precizat de relaia:

i

i p

T

= . (2.1)

Fig. 2.3. Schema de precizare n diagrama ST aefectului frigorific al laminrii unui gaz real aflat n

domeniul 0>i

n tehnica frigului ne

intereseaz mai ales cazul cnd prinlaminare temperatura scade (

0>dT ). Astfel, deoarece0


5/107

2.2. Procesul de destindere adiabat

Realizarea efectului frigorific este indisolubil legat de existena procesului de destindere alagentului de lucru. El se desfoar n detentoare, care pot fi att volumice ct i rotative. n

procesul de destindere al agentului de lucru de la presiunea 1P pn la 2P (fig. 2.4) se poate obinelucru, dac acest proces este reversibil (procesul 21 ).n acest caz lucrul se realizeaz din contul schimbrii entalpiei agentului de lucru i se ndeprteazde la detentor. Examinm cum se schimb parametrii agentului de lucru care caracterizeaz

procesul de destindere cu efectuarea lucrului exterior. Dac procesul de destindere cu efectuarealucrului exterior se realizeaz fr pierderi i fr schimb de cldur cu mediul ambiant, atuncientropia agentului de lucru nu se schimb, adic 0=dS . Lucrul care se realizeaz n procesul dedestindere (procesul 21 ) se ndeprteaz de la sistem. Fiindc acest lucru se realiz pe seamaenergiei agentului de lucru atunci temperatura lui n procesul de destindere totdeauna scade.

Fig. 2.4. Procesele de laminare i de destindere adiabate cundeplinirea lucrului exterior

Scderea tempera-turiise determin de derivata

( ) SpT , care poate ficalificat ca coeficient dedestindere adiabatic rever-

sibil i prin analogie cu i

poate fi notat prin S .Din termodinami-c se

tie c:

p

iS cv= , (2.2)

unde: v - volumul spe-

cific;

pc - cldura specific.

Fiindc v i pc sunt pozitive totdeauna, deci:

iS > .Deci, procesul de destindere adiabat cu ndeplinirea lucrului exterior este mai eficient dectprocesul de laminare adiabat. La aceast concluzie putem ajunge dac examinm aceste procese ndiagrama ST . Procesul 21 este un proces de destindere adiabat cu ndeplinirea lucruluiexterior, Procesul 21 - proces de laminare. Din fig. 2.4 se vede c iS TT > .

2.3. Efectul termoelectric (efectul Peltier)

Dup cum este cunoscut, aplicarea unei diferene de temperatur ntre punctele de sudur a7


6/107

dou materiale diferite aduce la apariia unei tensiuni termoelectromotoare (t.t.e.m.), care la rndulei, genereaz un curent electric efect descoperit n anul 1821 de ctre Seebeck. Acest efect st la

baza funcionrii sistemelor de msurare a temperaturii denumite termocupluri. Tensiuneatermoelectromotoare a unui termocuplu se determin pe baza relaiei:

( ) ( )TTE = 21 , (2.3)

unde 1 , 2 reprezint coeficienii t.t.e.m. ai celor dou materiale, n KV iar ( )TT -diferena de temperatur aplicat.

n cazul metalelor valorile lui sunt relativ reduse i, implicit, diferena ( )21 estemic; n schimb ns semiconductorii permit obinerea unor valori importante ale t.t.e.m. careasigur funcionarea generatoarelor termoelectrice.

n cazul cnd prin ansamblul format din dou materiale diferite trece un curent electric seconstat c temperaturile celor dou puncte de sudur devin diferite, efect descoperit n anul 1834de ctre Peltier. Ca i cazul precedent efectul este nesemnificativ pentru metale, dar important maiales la folosirea cuplurilor semiconductoare de tip p (cu goluri) i de tip n (electronice).

Fig. 2.5. Schema unui termoelement alimentat cu curent

electric: a - n situaia 0TTc > ; b - n situaia cTT


7/107

dT

dT

= .

K

V. (2.7)

Este evident c, pe lng cele artate, funcionarea sistemelor termoelectrice este influenati de propagarea cldurii prin conducie de la sudura cald ctre cea rece.

n continuare, se procedeaz la stabilirea caracteristicilor unui termoelement n ipoteza c

este o mrime constant. n aceste condiii 0= , astfel c fluxul de cldur schimbat desudura rece a termoelementului prezint trei componente:

- cldura primit ca urmare a conduciei termice (pe baza legii lui Fourier):

( ) ( )021 TTkkQ cF += , [J], (2.8)unde

1k , 2k reprezint coeficienii care in seama de conducia termic a fiecrei ramuri a

termoelementului, n KW :

l

sk = , (2.9)

unde: conductivitatea termic a poriunii considerate, n ( )KmW ;s seciunea poriunii, n 2m ;l lungimea poriunii, n m .

Jumtate din cldur este degajat prin efect electrocaloric Joule, cealalt jumtate fiind

evacuat prin sudura cald la temperatura cT :

( ) 2212

1IRRQJ += , (2.10)

unde 1R , 2R reprezint rezistenele electrice ale celor dou poriuni, n ;

s

lR = , (2.11)

n care este rezistivitatea electric, n m ;- cldura 0Q preluat din spaiul rcit, n J.n regim staionar de funcionare suma celor trei componente este egal cu cldura evacuat

pe baza efectului Peltier:

FJP QQQQ ++=

2

10 , (2.12)

sau

( ) ( )( ) 0212

210 5.0 TTkkIRRQI c ++++= .Din ecuaia de bilan termic (2.12) se extrage fie 0TTT c = , fie 0Q :

( )

21

02

215.0

kk

QIRRIT

++

=

; (2.13)

( ) ( ) TkkIRRIQ ++= 212

210 5.0 , (2.14)

unde0

Q reprezint fluxul de cldur, nW

, preluat de termoelement prin sudura rece la

9


8/107

temperatura 0T .

Se observ c, pe msur ce 0Q scade, se mrete diferena de temperatur T care devinemaxim la acumularea lui 0Q .

Eficiena cuplului de materiale din care este executat termoelementul se caracterizeaz cu

valoarea:

kRz

2= , (2.15)

unde ( )21 = ; 21 RRR += ; 21 kkk += .Pentru determinarea diferenei maxime de temperatur maxT se pune condiia 00 =Q ;

rezult :2

0max 5.0 zTT = . (2.16)Materialele semiconductoare utilizate sunt, n general, aliaje pe baz de Bi , Te , Se i Sb

.Domeniile de utilizare a efectului frigorific termoelectric sunt multiple: frigidere casnice,

instalaii de condiionare, termostate, higrometre, aparataj medical etc.

2.4. Efectul frigorific turbionar (efectul Ranque)

Efectul frigorific turbionar, descoperit de ctre inginerul francez Ranque n anul 1931, are labaz un proces gazodinamic, care se desfoar ntr-un curent turbulent spaiul de fluid compresibilvscos. Prima cercetare experimental a acestui efect aparine fizicianului german Hilsch (1946).

Tubul de vrtej (fig. 2.6) const dintr-un tub cilindric 1 prevzut cu un ajutaj tangenial 2, o

camer de vrtej 3, diafragma 4 cu un orificiu central i ventilul de reglaj 5.Prin destinderea unui gaz comprimat, de obicei aer, n ajutajul tubului, se formeaz un

curent circular intens caracterizat prin aceea c straturile de gaz aflate n vecintatea axei tubului sercesc, fiind evacuate prin orificiul diafragmei, iar cele periferice se nclzesc i prsesc tubul prinseciunea creat de ventil; prin reducerea acestei seciuni are loc o cretere a debitului de gaz rece

prin diafragm concomitent cu reducerea corespunztoare a debitului de gaz cald.

Fig. 2.6. Schema tubului de vrtej

Pentru aprecierea cantitativ a acestui efect se introduc urmtoarele notaii:10


9/107

- T, p - temperatura i presiunea curentului de gaz comprimat la ntrare n ajutaj;- 0T , 0p - temperatura i presiunea curentului de gaz rece;

- cT , cp - temperatura i presiunea curentului de gaz cald.Variaiile de temperatur ale celor doi cureni sunt precizate de relaiile:

00TTT

=; TTT

cc =.

Notnd cu G debitul de gaz comprimat i cu 0G , cG - debitele de gaz rece i respectiv,cald rezult c:

cGGG += 0 , (2.17)

se mai noteaz cuG

G0= fraciunea de gaz rece obinut astfel c

=1G

Gc . (2.18)

ntre efectele de rcire i nclzire exist o relaie de legtur care se poate obine aplicnd ecuaiade bilan termic a tubului de vrtej considerat izolat adiabatic:

cc iGiGiG += 00 , (2.19)n care i , 0i i ci reprezint entalpiile gazului comprimat, gazului rece i gazului cald.

Tubul de vrtej este utilizat pe scar larg n diferite domenii ale tehnicii. Dintre aplicaii sepot aminti urmtoarele: camera frigorific turbionar sub vid, higrometru turbionar, carburatorturbionar, termostat turbionar etc.

3. Mrimi i procese termodinamice

3.1. Mrimi termodinamice i transformri de stare

Pentru studiul fenomenelor termice, se introduce noiunea de sistem termodinamic, cereprezint un corp sau un ansamblu de corpuri care schimb energie i substan cu mediul ambiant.

Din punctul de vedere al interaciunii dintre un sistem termodinamic i mediul ambiant, se potntlni:

- sisteme deschise sau nchise dup cum exist sau nu un schimb de substan cu mediulambiant;

- sisteme adiabatice la care nu exist schimb de cldur cu exteriorul.

3.1.1. Mrimi termodinamice de stare

Un sistem termodinamic este determinat prin mrimile fizice care l caracterizeaz, numiteparametri sau mrimi de stare.

Deoarece n tehnica frigului intervin n multe aplicaii lichidele i gazele, mai jos sunt redatemrimile de stare principale ale fluidelor.

Masa m a fluidului reprezint o msur a cantitii de substan.Presiuneap este rezultatul loviturilor moleculelor fluidului asupra pereilor vasului n care se

afl sau a suprafeelor oricrui corp cu care fluidul vine n contact direct, n practic, lundu-se ca

11


10/107

origine presiunea atmosferic, se utilizeaz noiunea de presiune relativ, care reprezint diferenadintre presiunea absolut care domnete ntr-un sistem i presiunea atmosferic.

n Sistemul Internaional de uniti de msur, presiunea se msoar nPa (Pascal):2/11 mNPa = . (3.1)

Sunt valabile urmtoarele relaii:Pabar 5101 = , (3.2)

1 at= 1 kgf/cm2 [atmosfera tehnic] = 9,8 x 10-4Pa, (3.3)1 atm [atmosfer fizic] = 1,01325 x 105Pa. (3.4)

Alte uniti de msur a presiunii sunt milimetrul coloan de mercur [1mm col Hg= 1 torr] irespectiv, n domeniul presiunilor mici, milimetrul coloan de ap [1 mm col H2O].

Temperatura Texprim gradul de nclzire a unui corp, fiind rezultatul agitaiei moleculeloracestuia. Dac Teste temperatura n Kelvin iar t este temperatura n grade Celsius, atunci existrelaia:

T=t+273,16 [K]. (3.5)

Volumul specific v reprezint volumul unitii de mas, adic: n care: Vi m sunt volumul pecare-l ocup fluidul, respectiv masa sa.

v=V/m [m3/kg]n afara mrimilor de stare redate mai nainte, n termodinamic i n tehnica frigului se

opereaz i cu alte mrimi de stare cum ar fi energia intern, entalpia specific, entropia specific,energia specific .a.

Ecuaia care arat interdependena dintre cei patru parametri m, p, V, T se numete ecuaiacaracteristic de stare:

f(m,p,V,T) = 0. (3.6)Ecuaia caracteristic exprimat pentru masa unitate rezult din relaia de mai sus prin

introducerea volumului specific:f (p, v, T) = 0. (3.7)

Una din ecuaiile de stare, aplicabil cu oarecare aproximaie gazelor reale, aflate la presiunimici i temperaturi ridicate, este ecuaia lui Clapeyron:

TRmpV = , (3.8)iar pentru unitatea de mas:

pv = RT, (3.9)n care:R este constanta gazului respectiv i se exprim n (J/kgK).

Atunci cnd un fluid i schimb starea, parametrii de stare capt noi valori. Se spune c

fluidul a suferit o transformare de stare sau un proces termodinamic.

3.1.2. Transformri de stare

Fie un sistem termodinamic oarecare (fig.3.1). n cazul general, el poate schimba cu exteriorulenergie i substan, adic cldur, Q; lucru mecanic, L; mas,M.

Prin definiie, un sistem se afl n stare de echilibru termodinamic, atunci cnd, aflndu-se ncondiii exterioare invariabile, condiiile lui interioare (adic mrimile de stare) nu se modific ci semenin constante.

12


11/107

Fig. 3.1. Simbolizarea unui sistemtermodinamic oarecare

Dac se consider numai aciunilemecanice i termice dintre corpuri, starea deechilibru termodinamic a unui sistem omogencu n componeni poate fi precizat n modunivoc prin valorile a (n+2)

parametri.Legea lui Gibbs care stabilete numrul gradelor de libertate L al unui sistem cu n

componeni se poate scrie astfel:L=n+2. (3.10)

Dac sistemul este monocomponent (n = 1), rezult:L=3. (3.11)

Cele 3 grade de libertate pot fi reprezentate prin 3 parametri de stare i care pot fi (m,p, V) sau(m, p, T) etc.

Ca urmare a schimburilor de energie cu exteriorul, sistemul i modific starea termodinamic.Prin definiie, prin transformare termodinamic de stare se nelege trecerea unui sistemtermodinamic dintr-o stare de echilibru n alta prin parcurgerea unei succesiuni de stri,caracterizate prin valori precise ale parametrilor de stare.

Fie starea 1 (p1, v1T1). Sub aciunea mediului exterior (vezi fig. 3.2) sistemul trece din starea 1n starea 2 (p2, v2, T2). Strile 1 i 2 sunt stri de echilibru. Dac schimburile de cldur i lucrumecanic cu exteriorul se produc cu viteze mari, n regim dinamic (nestatic, nestaionar, tranzitoriusau nestabilizat) atunci distribuia mrimilor de stare este neuniform, fiind necesar un anumitinterval de timp pentru egalizarea lor n funcie de viteza cu care se produc schimbrile de energiecu exteriorul, drumul transformrii de la starea 1 la starea 2 este diferit. La trecerea din starea 1 n

starea 2, variaiile parametrilor de stare depind numai de starea iniial i de cea final. Dactransformarea se poate produce i n sensul invers, de la 2 la 1, sistemul trecnd prin aceleai striintermediare, ea este numit reversibil.

Prin definiie, un proces termodinamic este reversibil dac transformarea dintre dou stripoate fi parcurs n ambele sensuri astfel nct sistemul s treac prin aceleai stri intermediare deechilibru fr ca n mediul ambiant s se produc vreo schimbare remanent.

Fig. 3.2. Transformri de stare a unui fluid

Procesul ireversibil este procesul ncare:

- strile intermediare sunt diferite ;- n mediul ambiant se produc

schimbri remanente.Pentru ca un proces s fie

perfect determinat sunt necesare trei condiii:- cunoaterea strii iniiale 1;- cunoaterea strii finale 2;- cunoaterea tuturor strilor intermediare dintre 1 i 2.

Procesele termodinamice n care starea iniial coincide cu starea final se numesc procese13


12/107

ciclice sau cicluri termodinamice. n fig.3.2, transformarea 1A2B1 este un ciclu termodinamic. Unciclu termodinamic poate fi reprezentat ntr-o diagram avnd ca abscis volumul, iar ca ordonat

presiunea. Deoarece prin cunoaterea presiunii i a volumului, o stare oarecare a sistemului estedeterminat, rezult c unui punct din diagrama p-Vi corespunde o anumit stare i numai una. nacest fel, un ciclu oarecare 1ABC1 (fig. 3.3) poate fi reprezentat n aceast diagram. Procesele, lacare starea final este alta dect cea iniial, se numesc procese termodinamice deschise. Fluidulcare parcurge o transformare termodinamic de stare se numete agent termic sau agent de lucru.

Fig. 3.3. Ciclu termodinamic reprezentat n diagramapresiune-volum (p-V)

S-a artat anterior c un gaz real seapropie ca i comportament de gazulideal la presiuni mici i temperaturiridicate, n cazul gazului ideal estevalabil ecuaia de stare Clapeyron(relaia 3.8). n astfel de situaii, exist

procese caracterizate prin faptul c latrecerea de la o stare la alta, unul dintre

para-

metrii de stare rmne constant. De exemplu, procesul izobar (n care presiunea rmne constanta),procesul izoterm (n care temperatura rmne constant) .a. Relaiile dintre parametrii de stare,caracteristice unor astfel de procese se pot deduce din ecuaia de stare, nlocuind para-metrul carenu variaz cu o constan t. De exemplu, pentru procesul izoterm, nlocuind n ecuaia de stareClapeyron temperatura cu o constant, rezult:

pV= const, (3.12)care reprezint ecuaia izotermei. Similar, se obin ecuaiile izobarei

constT

V= , (3.13)

i izocorei

T

P= const. (3.14)

Se poate arta c pentru un proces termodinamic adiabatic, n care nu se schimb cldura cuexteriorul ecuaia transformrii este:

constpVk = , (3.15)n care kse numete exponent adiabatic.

Cea mai general transformare de stare este transformarea politropic, exprimata prin relaia

constpVn = , (3.16)n care n este exponentul politropic.

14


13/107

3.2. Principiile termodinamice

3.2.1. Principiul zero al termodinamicii

Principiul zero al termodinamicii se refer la echilibrul termic. Dou corpuri sau sistemetermodinamice se afl n echilibru termic ntre ele dac prin suprafeele lor de contact diatermanenu are loc nici un schimb de cldur. Altfel spus ele au aceeai temperatur (fig. 3.4).

Principiul zero al termodinamicii se poate exprima astfel: dou sisteme aflate fiecare nechilibru termic cu un al treilea sistem, se gsesc n echilibru termic ntre ele.

Fig. 3.4. Dou sisteme termodinamice aflate n echilibru termic

3.2.2. Principiul I al termodinamicii

Principiul nti al termodinamicii reprezint o aplicare la fenomenele termice, a principiuluiconservrii energiei. El este axiomatic, nu se poate demonstra, fiind rezultatul observaiilor iexperienei de milenii a omenirii. Primul principiu opereaz cu noiunile de cldur (Q), lucrumecanic (L), energie intern (U) i entalpie (I).

Se vor analiza pe scurt cele dou categorii de sisteme: sisteme nchise (adiabatice i respectivneadiabatice) i sisteme deschise.

Fig. 3.5. Explicativ la cazurile sistemelor nchiseadiabatice

S considerm un cilindru n interiorulcruia se mic un piston (fig. 3.5) i s

presupunem c introducem n interior lucrulmecanic elementardL prin aplicarea forei F

pe piston. Ca urmare, pistonul, al cruisuprafa transversal este A [m],

se deplaseaz pe direcia axei cilindrului cu dx [m].Rezult:

dxApdxFdL == . (3.17)15


14/107

Cazul sistemelor nchise adiabatice. n aceast situaie, sistemul are schimb nul de cldur (Q = 0)i de substan (M= 0) cu mediul exterior i schimb cu exteriorul doar lucru mecanic ( 0L ) aacum rezult din schia redat n fig. 3.6.n carep este presiunea din interiorul cilindrului.

Cum produsul (Adx) este variaia volumului elementardV, rezult:

dL=pdV. (3.18)Integrnd ecuaia (3.18) ntre strile iniial 1 i final 2 (dup aplicarea lucrului mecanicelementar) rezult expresia lucrului mecanic introdus n sistem, se poate scrie cL12:

=2

1

12 dvpL . (3.19)

Fig.3.6. Sistem termodinamic nchis adiabatic (Q =0;M= 0)

Sistemul fiind nchis i adiabatic, totlucrul mecanic se acumuleaz n interior ideci se poate scrie:

dL = dU, (3.20)

n care dU este variaia elementar aenergiei interne.

Rezult:L12=U1U2. (3.21)

n cazul masei unitare (m = 1 kg) se poate scrie:

2112 uuL = . (3.22)Se tie c energia intern U este suma dintre energia cinematic i energiile potenialeconinute ntr-o substan datorit strilor de micare i separare a moleculelor, atomilor ielectronilor (ea include cldura sensibil, energia de vibraie i cldura latent). Ea este o mrime destare. Energia intern este partea din energia total care cuprinde exclusiv de mrimile de stareintern.

n final, se poate enuna principiul nti sub urmtoarea form: pentru un sistem nchisadiabatic, lucrul mecanic, introdus n sistem este egal cu creterea energiei interne.

Cazul sistemelor nchise neadiabatice. Presupunem c introducem n sistem clduraelementar dQ (fig. 3.7).

Aceast cldur produce ca efecte:- mrirea cldurii sensibile a sistemului (creterea temperaturii sale) (dH);- producerea de lucru mecanic necesar nvingerii unor rezistene interne (dLint);- producerea de lucru mecanic necesar nvingerii unor rezistene externe (care se opun

dilatrii, creterii volumului (dLext).

16


15/107

Fig. 3.7. Sistem termodinamic nchisneadiabatic (M= 0; Q0)

Rezult:dQ = dH + dLint+ dLext. (3.23)

DardHi dLint, rmn n interior i deci suma lorreprezint variaia elementar a energiei interne:

dH + dLint= dU. (3.24)Rezult c:

dQ = dH + dLext. (3.25)

Deci:dQ = dU+dL. (3.26)

Pentru cazul m = 1 kg, rezult:dq = du + dl. (3.27)

Pentru o transformare ntre dou stri 1 i 2, se poate scrie:

Q12=U2U1+L12. (3.28)Scris sub form general, rezult:

Q = U+L, (3.29)sau

QL =U. (3.30)n final, se poate enuna: ntr-un sistem nchis cldura introdus pe durata unui proces oarecare

este egal cu suma algebric dintre variaia energiei interne a sistemului i lucrul mecanic schimbatcu mediul ambiant.

Formulri echivalente ale primului principiu, n cazul sistemelor nchise neadiabatice, sunt i:- cldura se poate transforma n lucru mecanic, dar niciodat integral;

- se poate produce lucru mecanic consumnd pentru aceasta energie, n cantitate echivalentcu cldur.

Cazul sistemelor deschise. Pentru acest caz, introducem noiunea de entalpie, care este omrime de stare egal cu suma dintre energia intern Ui produsul pV(energia de dislocare saulucrul mecanic de dislocare):

I =U + pV. (3.31)Pentru masa unitar (m = 1 kg) se poate scrie:

i = u + pV.Entalpia fiind o mrime de stare i deoarece mrimile de stare admit difereniale totale exacte,

se poate scrie:

di = du + pdv+vdp . (3.32)Dar dq= du + pdv .Deci dq = divdp.

Cum ns termenul (vdp) reprezint lucrul mecanic tehnic tdl , se poate scrie:

dq=di+dlt , (3.33)sau pentru ntreaga masa a sistemului termodinamic:

Q=I+Lt , (3.34)n care Q [kJ] reprezint cldura schimbat cu exteriorul, I [kJ] reprezint variaia entalpieisistemului iarLt [kJ] este lucrul mecanic tehnic.

n final se poate exprima primul principiu sub forma urmtorului enun: ntr-o transformare17


16/107

deschis, cldura schimbat de sistem cu exteriorul este egal cu variaia entalpiei la care se adauglucrul mecanic tehnic.

Deoarece la o transformare adiabatic, schimbul de cldur cu exteriorul este nul (dq = 0),rezult c:

didLt = , (3.35)

sau ILt = . (3.36)Rezult c n acest caz, lucrul mecanic tehnic este dat de variaia Ia entalpiei sistemului.Cazul ciclurilor termodinamice. Un caz foarte important pentru tehnica frigului este cel al

ciclurilor. Considernd ciclul (1a2b1) reprezentat n diagrama presiune - volum specific (fig 3.8) sepot scrie urmtoarele relaii:

211221 )( ata liiq += , (3.37)

122112 )( btb liiq += , (3.38)Prin adunarea relaiilor (3.34) i (3.35), rezult:

12211221

)()(btatba

llqq +=+ ,sau

Fig. 3.8. Ciclu termodinamic reprezentat ndiagrama presiune - volum specific

cc lq = , (3.39)n care qc i lc reprezint cantitatea de cldur irespectiv lucrul mecanic schimbate de 1 kg deagent cu exteriorul.

Pe baza celor de mai nainte se poate faceurmtorul enun al primului principiu altermodinamicii referitor la cicluri: ntr-un ciclutermodinamic, cantitatea de cldur schimbat de

sistem cu exteriorul este egal cu lucrul mecanicefectuat pe ciclu.

3.2.3. Principiul al doilea al termodinamicii

Primul principiu exprim echivalena dintre cldur i lucru mecanic. El nu precizeaz sensuln care se poate produce o transformare- sensul fiind legat de reversibilitate. Principiul al doilea se

poate exprima prin urmtoarele dou enunuri echivalente.Enunul I- n mod natural cldura trece de la un corp cald ctre un corp mai rece i nu invers

(fig. 3.9).

18


17/107

Fig. 3.9. Explicativ la primul enun alprincipiului al doilea al termodinamicii

Enunul II - Nu exist main termic care sproduc lucru mecanic, dect cu ajutorul a dousurse de cldur cu temperaturi diferite.

Deoarece, aa cum deja s-a amintit anterior, ntehnica frigului procesele ciclice au o importandeosebit, n

continuare se vor face referiri la ciclurile frigorifice.Se poate da urmtoarea definiie pentru noiunea de ciclu frigorific: transformrile pe care le

sufer un agent de lucru (agentul frigorific) astfel, nct starea lui final coincide cu starea iniial,transfernd cldur de la un nivel inferior de temperatur ctre unul superior i consumnd pentruaceasta lucru mecanic sau alt surs de energie (fig.3.10).

Deoarece schimburile de cldur depind de nivelul de temperatur la care au loc, este necesars se introduc o nou mrime de stare numit entropie.

Fig. 3.10. Ciclu frigorific reprezentat n diagramapresiune-volum (p - V)

Entropia este mrimea de stare a

crei variaie este egal cu raportuldintre cantitatea de cldur schimbatntr-un proces i temperatura n gradeKelvin la care a avut loc procesul detransfer.

T

dQdS= , [J/K]. (3.40)

Exist o multitudine de formulriale principiului al

doilea dintre care vor fi redate cteva.Enun I- ntr-un ciclu reversibil, variaia entropiei de-a lungul ciclului este nul.Enun II- n procese adiabatice reversibile, variaia entropiei este nul:

T

dQS= , (3.41)

i deoarece 0=Q rezult c:S= 0. (3.42)

Enun III - deoarece toate fenomenele i transformrile din natur sunt ireversibile rezultc: "Orice fenomen real se produce cu cretere de entropii.

3.2.4. Principiul al treilea al termodinamicii

Principiul al treilea al termodinamicii sau teorema lui Nernst face referiri la punctul de zeroabsolut, adic T= 0K= - 273,16 C.

19


18/107

Cele mai uzuale i semnificative enunuri ale teoremei lui Nernst sunt cele redate ncontinuare.

Enun I - entropia tuturor substanelor ajunse n echilibru termodinamic intern tinde ctrezero n apropierea temperaturii de zero absolut T= 0 K.

Enun II- punctul de zero absolut este imposibil de atins pe cale experimental.

3.3. Diagrame de stare

Fluidele reale se comport diferit fa de gazul ideal. Doar n condiii de temperaturi ridicatei presiuni mici se apropie de gazele ideale, n realitate, comportarea fluidelor reale n cadrultransformrilor de stare este foarte complex i difer de la un fluid la altul.

Discontinuitatea, caracteristic de baz a materiei, se manifest i n domeniultermodinamicii fluidelor, n sensul c atunci cnd parametrii de stare, presiune i temperatur, atinganumite valori strict determinate i mereu aceleai, un fluid real i schimb brusc proprietilefizice. Strile sub care se poate prezenta o substan din punct de vedere al rezistenei la deformare

prin fore exterioare definesc strile de agregare. Exist trei stri fundamentale de agregare (solid,lichid, gazoas) i o a patra stare de agregare (plasm). Trecerea unei substane dintr-o stare deagregare n alta se numete transformarea de faz.

Ca schimbri de faz exist:- topirea;- solidificarea;- vaporizarea;- condensarea;- sublimarea;- desublimarea.

Toate transformrile de faz ale substanelor pure se produc la temperatur constant, dacpresiunea rmne constant. Valorile presiunii i temperaturii la care are loc schimbarea de staredefinesc aa numita stare de saturaie.

Att timp, ct nu intervine o schimbare de faz, cantitatea de cldur schimbat de un corpeste proporional cu masa corpului, cu variaia temperaturii acestuia i depinde de natura sa.

Rezult:Q = mcT, (3.43)

n care s-a notat cu Q cantitatea de cldur primit sau cedat de un corp, cu m masa corpului, cuTvariaia temperaturii corpului c o mrime care caracterizeaz corpul din punct de vedere termic,numit cldur specific i msurat nJ/(kgK) sau kcal/(kgC).

Cldura specific reprezint cantitatea de cldur necesar variaiei temperaturii unitii demas cu un grad Kelvin. Dac schimbul de cldur se face la presiune constant, cldura specificse noteaz cu cp i se numete cldur specific masic la presiune constant.

Produsul (mc) se numete capacitate caloric i reprezint cantitatea de cldur primit saucedat de un corp pentru a-i modifica temperatura cu 1gradKelvin.

Deoarece efectul cldurii primite de corp se manifest prin creterea temperaturii (n cazul ncare nu se produce schimbare de faz) aceast cldur se numete cldur sensibil.

Atunci cnd, prin absorbia sau cedarea cldurii de ctre un corp nu se produce o variaie atemperaturii sale i are loc o schimbare de faz, cldura se numete cldur latent. Astfel, clduranecesar vaporizrii unei mase de lichid se numete cldura latent de vaporizare. Exist similar

cldura latent de condensare, de sublimare, de topire, de solidificare, de sublimare.20


19/107

Conform primului principiu al termodinamicii (relaia 3.35) cantitile de cldur, attsensibile ct i latente, pot fi exprimate, n cadrul transformrilor izobare, de variaia entalpiei,deoarece n acest caz lucrul mecanic tehnic Lt este nul. Pentru transformrile adiabate, variaiaentalpiei exprim lucrul mecanic schimbat.

Parametrii de stare ai fluidelor reale folosite n tehnica frigului au fost msurai i calculai,rezultatele trecndu-se n tabele sau reprezentndu-se n diferite diagrame numite diagrame devapori. Pentru fiecare fluid real se poate trasa o diagram de stare.

Mrimile de stare pot fi mprite n dou mari clase:- mrimi de stare intensive, care sunt independente de masa m, a corpului sau substanei,

respectiv presiunea (p) i temperatura (T);- mrimi de stare extensive care sunt proporionale cu masa m, a corpului sau substanei,

respectiv

s

S

i

I

u

U

v

V=== , (3.44)

n care V, v, U, u, I, i i S, s sunt valorile i valorile specifice ale volumului, energiei interne,

entalpiei i entropiei.Mrimile de stare, att cele intensive ct l cele extensive, admit difereniale totale exacte.Mrimile cldur (de fapt cantitate de cldur) i respectiv lucrul mecanic, sunt mrimi

extensive i nu admit difereniale, totale exacte:

ml

L

q

Q== . (3.45)

Diagrama presiune - entalpie, larg utilizat n tehnica frigului, are reprezentate n abscisentalpii specifice nJ/kgsau kcal/kgf, iar n ordonat presiuni n bar sau kgf/cm. Diagrama cuprindecurba de saturaie corespunztoare transformrii de faz lichid - vapori (vaporizare) i vapori -

lichid (condensare), n fig.3.11 este reprezentat diagrama lg p i (se prefer ca n ordonat s sereprezinte logaritmi zecimali ai presiunii n loc de presiune, acest lucru asigurnd o citire mai exacta valorilor parametrilor de stare n domeniul temperaturilor sczute).

Cmpul diagramei este mprit de ctre curba de saturaie i izoterma care trece prin punctulcritic (numit izoterma critic) n 4 zone:

Fig. 3.11. Diagrama de stare presiune

-entalpie (lgp i)

- zona l de lichid, situat n stnga curbei desaturaie pn n punctul K i sub izoterma critic.Ramura (aK) a curbei de saturaie se numete curb desaturaie a lichidului;

- zona II de vapori supranclzii, n dreaptacurbei de saturaie i sub izoterma critic. Ramura(Kb) a curbei de saturaie poart denumirea de curbde saturaie a vaporilor;

- zona III de vapori umezi, numit astfeldeoarece aici exist n echilibru cele dou faze, lichidi vapori;

21


20/107

- zona IV de stare gazoas.n fig. 3.12, sunt reprezentate n diagrama presiuneentalpie, principalele curbe care

exprim transformrile simple (izoterme, izobare, izocore, izentrope). Izotermele (T=const) suntcurbe de forma (a12b) care traverseaz zonele de lichid, vapori umezi i vapori supranclzii.

Fig. 3.12. Principalele tipuri de curbe dindiagrama de stare presiune-entalpie

Izobarele (p = const) sunt drepte parale-lecu axa absciselor, de forma (c12d).

n domeniul vaporilor umezi, izotermele sesuprapun peste izobare, deoarece transformareade faz lichid - vapori are loc la temperatur i

presiune constant.Izentropele (s = const) sunt curbe de for-ma

(n 2 ), iar izocorele au forma (z 2 w) cuschimbarea de pant n punctul de intersecie cucurba de saturaie.

n domeniul vaporilor umezi, mai apar pe diagram curbele de titlu al vaporilor constant,constx = . Se definete titlul de vapori ca fiind raportul dintre masa vaporilormv, i masa total

m a agentului frigorific:

m

mx v= , agent

vapori

kg

kg. (3.46)

Toate curbele de titlu constant converg n punctul criticK.Exist o coresponden biunivoc ntre strile fluidului real i punctele din diagrama lg p

i , adic unui punct de pe diagram i corespunde o singur stare a fluidului respectiv i numai una.Diagrama temperatur - entropie (T s) are reprezentate n abscis entropiile specifice s n

J/(kgK) sau kcal/(kgC), iar n ordonat temperatura nK. n fig. 3.13, este redat diagrama (T s)cu principalele tipuri de curbe.Din punct de vedere al lucrului cu diagramele de stare este necesar i util s precizm proprietilefundamentale ale diagramelor lg p i i T s. n diagrama lg p i cantitile de cldur n

transformrile izobare i lucrul mecanic n transformrile adiabate sunt reprezentate de segmente dedreapt paralele cu axa absciselor, cuprinse ntre dou drepte paralele cu axa ordonatelor care trec

prin punctele de nceput i sfrit de transformare.

22


21/107

Fig.3.13. Principalele tipuri de curb din diagrama de

stare temperatur-entropie (T s)

n diagrama T s, can-titile decldur n transformrile izobare suntreprezentate de arii cuprinse sub curbatransformrii, axa absciselor i doudrepte paralele cu axa ordonatelor, caretrec prin punctele de nceput i sfrit detransformare, fapt care face ca aceastdiagram s se numeasc i diagramcaloric.

3.4. Transformri de stare specifice tehnicii frigului i reprezentarea lor n diagramele de

stare

Dintre transformrile de stare i procesele specifice tehnicii frigului, vor fi analizate ncontinuare cele mai reprezentative i anume cele corespunztoare instalaiilor frigorifice cucomprimare mecanica de vapori, respectiv: comprimarea, laminarea, vaporizarea i condensarea.

Comprimarea este procesul de micorare a volumului unui fluid, cu mrirea presiunii

acestuia, sub aciunea unor fore exterioare, n cazul general, comprimarea este un proces politropicexprimat prin:

constpVn = , (3.47)n care n este exponentul politropic pentru gazul respectiv n condiii precizate.

De multe ori, n practica instalaiilor cu compresoare cu piston, comprimarea esteconsiderat (fr prea mari erori) ca fiind adiabatic reversibil, deci cu schimb nul de cldur cuexteriorul (Q = 0).

innd seama de principiul al doilea al termodinamicii aplicat la masa de 1 kg de agentfrigorific (dq = Tds), deoarece dq = 0, rezult:

Tds = 0, (3.48)adicds = 0. (3.49)

Notnd cu indicele 1 starea agentului la nceputul comprimrii adiabate i cu 2 starea final,rezult:

s1 =s2, (3.50)ceea ce nseamn c n condiii adiabatice, comprimarea este i izentrop. Din primul principiu altermodinamicii exprimat sub forma:

dq= divdp = di+dlt, (3.51)rezult c n condiii adiabatice (dq = 0) exist relaia:

|di| = |dlt|. (3.52)23


22/107

Altfel spus, n cazul comprimrii adiabate, lucrul mecanic de comprimare lcompeste dat devariaia entalpiei n timpul comprimrii:

lcomp=i2i1. (3.53)n fig. 3.14 este reprezentat procesul de comprimare n diagramele (lgp i) i (T s).

Fig, 3.14. Reprezentarea procesului de comprimare n diagramele de stare presiune-entalpie (a) itemperatur-entropie (b)

Laminarea este procesul de scdere al presiunii unui fluid la trecerea acestuia printr-ongustare a seciunii de curgere. Ea este o transformare de stare adiabatic deci are schimb nul decldur cu mediul exterior (Q = 0).

Vaporii de agent frigorific sunt gaze reale i deci au un comportament diferit de cel algazelor ideale. Transformrile reversibile au un caracter limit, ideal. De aceea, transformrileadiabatice sunt la limit izentrope dei, n cazul general, ele sunt, de regul, neizentrope.

Laminarea este un proces tipic ireversibil, n timpul laminrii se consum cldur datoratfrecrilor sub form de lucru mecanic disipativ, astfel nct exist egalitatea:

vdpdqfr = . (3.54)Conform primului principiu, se poate scrie

vdpdidqfr = , (3.55)Dar, deoarece exist relaia:

vdpdqfr = ,rezult c di=0 i deci

i2=i1, (3.56)n care i2 i i1, sunt entalpiile specifice agentului frigorific la sfritul i respectiv la nceputullaminrii.

Deoarece, conform principiului al doilea al termodinamicii, exist relaiadivdp = Tds, (3.57)

i innd seama de relaia (3.56), rezult:Tds =vdp,

sau:

24


23/107

ds = (v/T)dp, (3.58)care exprim variaia entropiei n timpul unui proces de laminare.

Este de reinut faptul c laminarea adiabatic este i izentalpic i c n orice situaie,laminarea este nsoit de o scdere a temperaturii, n laminrile reale, datorit existenei frecrilor,entropia crete.

Procesul de laminare este reprezentat n diagrama lgpi i respectiv Ts n fig. 3.15.Vaporizarea i condensarea sunt transformri de faz la care dac presiunea este constant i

temperatura este constant. Lichidul cu starea 1 de saturaie (fig. 3.16.), pe baza cldurii primite,ncepe s vaporizeze i-i modific poziia ctre dreapta, pe izobara-izoterm 1-2. Pentru starea 1'agentul este un amestec bifazic de vapori cu starea 2 i lichid cu starea 1 n proporia dat de regula

prghiei i exprimat de titlul de vaporix1:

21

111

=x . (3.59)

a) b)

Fig.3.15. Reprezentarea procesului de laminare n diagramele de stare presiune-entalpie (a) itemperatur-entropie (b)

Altfel spus, 1 kgde amestec bifazic de stare 1' cuprinde :

1.staredelichid)1(

2;staredevapori

1

1

kgx

kgx

Dup ce ultima pictur de lichid s-a vaporizat, starea fluidului este reprezentat de punctul 2adic vapori saturai uscai.

Cantitatea de cldur necesar vaporizrii complete a 1 kg de lichid este dat de segmentul

12=AB n diagrama (p - I) i de aria (12BA1) n diagrama (T - s).Condensarea este transformarea de faz invers vaporizrii i se produce cu cedare de cldur,

vaporii parcurgnd strile 112 pn la completa condensare.Cantitatea de cldur qvap i qkexprimate de:

)( 1212 ssTiiqq kvap === , (3.60)- reprezint cldura latent de vaporizare i respectiv cldura latent specific de condensare

25


24/107


25/107

sursa cu temperatura joas stjT se transmi-te la mediul ambiant. Acest ciclu inversat este prezentatn fig. 4.1.

n procesul 14 de la sursa cu temperatura joas se transmite la agentul de lucru cldura 0q , ntimpul procesului 21 agentul de lucru se comprim, n timpul procesului 32 are loc

evacuarea clduriiq

de la agentul de lucru la mediul ambiant. Procesul 43 prezint destindereaagentului de lucru cu producerea lucrului mecanic tehnic specific dl .

Fig. 4.1. Cicluri inversate n diagrama ST : a ciclu de rcire; b - ciclu de pomp termic; c- ciclu combinat

Conform legii a doua a termodinamicii mediului ambiant i se transmite mai mult cldurdect se evacueaz de la sursa cu temperatur joas cu mri-mea lucrului mecanic specifical ciclului:

lqq = 0 . (4.1)Lucrul mecanic specific care trebuie s fie cheltuit pentru realizarea ciclului inversat este

egal cu:

dc lll = . (4.2)Eficacitatea termodinamic a ciclului de rcire se caracterizeaz cu ajutorul eficienei

frigorifice :

qq0= . (4.3)

Dac cldura se transmite de la mediul ambiant la sursa cu temperatura mai nalt, atuncimaina frigorific funcioneaz pe baza ciclului pompei termice. n acest caz maina frigorific seutilizeaz pentru termoficare. Acest mod de termoficare uneori e numit nclzire dinamic. Ciclulde pomp termic este artat n fig. 4.1,b. n timpul procesului 14 cldura se transmite de lamediul ambiant la agentul de lucru. n procesul comprimrii (procesul 21 ) agentului de lucruentalpia i temperatura se mrete, iar n procesul 32 agentul frigorific transmite cldura q lasursa cu temperatur nalt a apei sau aerului, care se utilizeaz pentru nclzirea locuinelor sau

pentru alte scopuri tehnologice. Procesul 43 este destinderea agentului de lucru cu producerea27


26/107

lucrului mecanic specific dl .Eficacitatea termodinamic a ciclului de pomp termic se determin cu ajutorul

coeficientului de nclzire

l

q= . (4.4)

ntre eficiena frigorific i coeficientul de nclzire exist legtura:

l

lq

l

q +== 0 . (4.5)

Ciclul combinat este ciclul n care cldura se transmite de la sursa cu temperatur joas lasursa cu temperatur nalt. Acest ciclu este reprezentat n fig. 4.1, c, unde 14 este procesul detransmitere a cldurii 0q de la sursa cu temperatur joas la agentul de lucru; 21 - procesul decomprimare a agentului de lucru; 32 - evacuarea cldurii q de la agentul de lucru la sursa cutemperatur nalt; 43 - procesul de destindere a agentului de lucru cu producerea lucrului

mecanic tehnic specific dl .Cu ajutorul ciclului combinat se poate obine n acelai timp i frig, i cldur. Din aceast

cauz el se caracterizeaz att de eficiena frigorific , ct i de coeficientul de nclzire :

rl

q0= ;tl

q= ,

unde rl i tl - lucrul mecanic tehnic specific a ciclurilor 41 ab i ab 32 corespunztor.

4.2. Ireversibilitatea intern i extern

Examinnd condiiile transmiterii cldurii de la corpul rece la corpul cald, R. Clausius aformulat legea a doua a termodinamicii astfel: "Cldura nu poate trece de la corpul rece la corpulcald de la sine fr compensri". n aceast formulare se subliniaz necesitatea cheltuirii lucrului

pentru transmiterea cldurii de la corpul rece la corpul cald (de la sursa cu temperatur joas lamediul ambiant sau la sursa cu temperatur nalt), deci pentru realizarea ciclului inversat circulartrebuie s avem ca minimum dou surse - de temperatur joas i nalt (mediul ambiant) i trebuies cheltuim lucru (sau cldur).

Pe legea a doua a termodinamicii se bazeaz toat teoria termodinamic a mainilor

frigorifice. Noiunea de reversibilitate a proceselor are o importan fundamental att n fizic, cti n teoria mainilor frigorifice.

Procesul se numete reversibil dac dup ncheierea lui corpurile care au participat pot fiaduse n stare iniial i n legtur cu aceasta niceri nu vor avea loc nici un fel de transformrisuplimentare.

Procesele care nu satisfac aceste condiii se numesc ireversibile. Trebuie de remarcat faptulc procesele reale de lucru ale mainilor frigorifice sunt procese ireversibile care se desfoar ncondiii de neechilibru ca urmare a existenei unor diferene finite de temperatur, presiune,concentraie precum i a prezenei frecrilor mecanice i gazodinamice. n aceste condiii, proceselede lucru ale mainilor frigorifice pot fi clasificate n patru categorii:

28


27/107

- procese ideale, reversibile, att pe plan intern ct i extern (cazul politropiei reversibile);- procese ireversibile pe plan intern i reversibile pe plan extern (cazul laminrii adiabate):- procese reversibile pe plan intern i ireversibile pe plan extern (cazul politropiei cu schimb

de cldur la diferen finit variabil de temperatur cu o singur surs de cldur);- procese ireversibile pe plan intern i extern (cazul deplasrii unui agent nsoit de schimb

de cldur la diferen finit de temperatur i pierderi de presiune).Existena unor cauze care determin desfurarea ireversibil a proceselor determin, n

final, gradul de perfeciune a ciclului real de funcionare a unei maini frigorifice, pentru precizareacruia este necesar compararea acestui ciclu cu cel ideal, reversibil, al mainii frigorifice.

Deci, deosebirea dintre ciclul ideal al unei maini frigorifice i cel real este o consecin ainfluenelor exercitate de ireversibilitatea intern i extern a proceselor reale de lucru. Cu ctgradul de ireversibilitate este mai accentuat, cu att economicitatea mainii este mai redus. Rezultdeci c n practic este necesar reducerea la minimum a pierderilor cauzate de ireversibilitate. Dinacest punct de vedere se deosebesc dou categorii de pierderi i anume:

- pierderile proprii ale proceselor determinate de nsi natura proceselor, aa cum este, spre

exemplu, cazul laminrii;- pierderile tehnice ale proceselor sunt pierderi care pot fi reduse la limit, i teoretic, chiaranulate; n acest sens pierderea cauzat de ireversibilitatea transferului de cldur ntr-unschimbtor de cldur poate fi micorat prin reducerea diferenei medii de temperatur, consecina mririi suprafeei de schimb de cldur.

innd seama c nici pierderile proprii i nici cele tehnice nu pot fi excluse din practicamainilor frigorifice rezult c este necesar ntr-o prim etap, optimizarea termodinamic aciclurilor de funcionare, ceea ce presupune minimizarea sumei pierderilor cauzate deireversibilitate. Plecnd de la aceast optimizare termodinamic se trece n continuare laoptimizarea termoeconomic axat pe calculul tehnico-economic.

4.3. Pierderile ireversibile ale ciclurilor inversate

Pentru determinarea valorilor pierderilor ireversibile ale proceselor reale de lucru n cicluriinversate se utilizeaz ecuaia Gouy-Stodola.

La baza legilorI i II a termodinamicii pentru ciclurile inversate. Ecuaia lui Gouy-Stodola are forma:

STl a = , (4.6)unde: l - este mrirea lucrului ciclului, cauzat de ireversibilitatea proceselor;

aT - temperatura mediului ambiant;S - creterea sumar a entropiei tuturor corpurilor care particip n procese.

Fiindc entropia este funcie de starea corpului, atunci n ciclul inversat circular efectuat deagentul de lucru entropia lui va primi valoarea iniial, iar variaia entropiei va fi egal cu zero. Deci

sub S n timpul efecturii ciclului inversat se subnelege schimbarea entropiei surselor.Utilizarea ecuaiei lui Gouy-Stodola pentru determinarea pierderilor legate de ireversibilitateaciclului frigorific este posibil numai n acel caz cnd acest ciclu ireversibil se compar cu ciclulreversibil (pe plan intern i extern), care are aceeai putere frigorific (cantitatea cldurii obinut deagentul de lucru de la surse).

Acest ciclu reversibil este numit ciclu cu lucru minim sau ciclu-model.29


28/107

Pentru procesele ce au loc n pompa termic ecuaia lui Gouy-Stodola este corect n acelcaz cnd se compar cicluri care produc cantiti asemenea de cldur.

E raional de efectuat determinarea acestor pierderi ireversibile prin pri pentru ca maitrziu de a totaliza toate pierderile i a determina gradul de reversibilitate al ciclului teoretic fa decel model.

Presupunem c trebuie de rcit o oarecare surs de temperatur joas de la starea a pn lastarea b (fig. 4.2). Aceasta se poate face cu ajutorul mainii frigorifice ce lucreaz dup ciclul

4321 . n acest ciclu cldura de la agentul de lucru de transmite la mediul ambiant, nprocesul 32 la diferen infinit de mic a temperaturilor. Procesele de comprimare i destindere

ale agentului de lucru 21 i 43 au loc la constS= , adic sunt reversibile, 14 -transmiterea cldurii de la sursa cu temperatur joas la agentul frigorific cu diferen finit atemperaturilor. Procesul ba este artat n diagrama ST convenional. Ciclul 4321 se construiete astfel ca puterea frigorific specific a lui 0q s fie egal cu cantitatea de cldur,care se evacueaz de la sursa cu temperatur joas, adic

nmfabm = 14ariaaria . (4.7)Din termodinamic este tiut c lucrul mecanic specific al ciclului 4321 este

echivalent cu aria 4321 . Comparm lucrul mecanic specific al ciclului 4321 ,avnd ireversibilitatea n procesul de transmitere a cldurii la agentul de lucru cu ciclul reversibil(ciclu cu lucru minim). Acest ciclu pentru aceleai surse va fi ciclul bca 3 . ntr-adevr, nacest ciclu schimbul de cldur al agentului de lucru cu sursa de temperatur joas i cu mediulambiant se realizeaz la diferen infinit de mic a temperaturilor, procesele de comprimare idestindere ca i b3 , de asemenea, sunt reversibile ( constS= ), adic acest ciclu estereversibil pe plan intern i extern. Puterea frigorific specific a ciclului bca 3 i cea aciclului 4321 sunt egale ntre ele din condiia de construire a ciclului 4321 .

Fig. 4.2. Cicluriinversate prin diferene finite ale temperaturilor reprezentate n diagrama ST

Lucrul mecanic specific al ciclului-model minl corespunde ariei bca 3 ; deci30


29/107

mrirea lucrului l legat cu procesul ireversibil al schimbului de cldur va fi egal cu:bcalll = 3aria4321ariamin4321 (4.8)

sau 1421aria = bacl .Fiindc nmfabm = 14ariaaria , atunci = 74aria ab

nf 17aria , deci: STncfl a = 2aria . (4.9)

Deci mrirea lucrului datorit ireversibilitii n procesul schimbului de cldur ntre sursacu temperatur joas i agentul de lucru este egal cu schimbarea entropiei sistemului agentului de

lucru - surs de temperatur joas S , nmulit la temperatura mediului ambiant aT .Schimbarea entropiei S se determin din ecuaia:

jtsla SSS ... = , (4.10)

unde: jtsS .. - schimbarea entropiei sursei de temperatur joas n procesul ba ; laS . -

schimbarea entropiei agentului de lucru n procesul 14

4

1.

1

4.41. ln T

Tc

T

dTcSSS lalala === (4.11)

===b

a b

ajtsjtsabjts T

Tc

T

dTcSSS ln...... (4.12)

aici lac . i jtsc .. - capacitatea termic a agentului de lucru i a sursei cu temperatur joas (leacceptm constante).

Acum presupunem c procesul de transmitere a cldurii de la agentul de lucru la mediulambiant se realizeaz, de asemenea, prin diferen finit a temperaturilor i ciclul mainii frigorificeva fi 4651 , adic este nc o ireversibilitate extern. Aceast ireversibilitate suplimentarmrete lucrul mecanic specific al ciclului pn la 3-6-5-2arial .

Determinm lucrul suplimentar l . Cantitatea cldurii care se transmite de la agentul delucru la mediul ambiant corespunde ariei nm 56 . Dar mediul ambiant a primit tot o

asemenea cantitate de cldur echivalent cu aria lkm 3 . Punem punctul k astfel ca:lkmnm = 3aria56aria (4.13)

Atunci lkn = 2aria3652aria , iar aTSlkn = 2aria , adic:

STl a = . (4.14)Schimbarea entropiei S se determin prin analogie cu S :

laam SSS .. = , (4.15)unde: amS . este schimbarea entropiei mediului ambiant;

laS . - schimbarea entropiei agentului de lucru:

===5

6 6

5..56. ln T

Tc

T

dTcSSS lalala ,

31


30/107

aam T

iiS 65.

= .

Schimbarea comun a entropiei datorit prezenei diferenei de temperaturi n procesul deschimb de cldur a agentului de lucru i a surselor este egal:

SSS += .Creterea comun a lucrului:

lll += .Deci, lucrul mecanic specific al ciclului 4651 poate fi scris n forma urmtoare:

lbcal + 3aria4651aria , (4.16)sau

lll += min .Gradul de reversibilitate al ciclului teoretic fa de cel model:

ll

l

l

lr

+

==min

minmin , (4.17)

adic cu creterea pierderilor ireversibile gradul de reversibilitate se reduce, ceea ce indicreducerea eficacitii ciclului.

Determinm aceste pierderi n ciclul inversat legate de prezena ireversibilitii interne laminarea agentului de lucru. n fig. 4.3 este artat ciclul inversat n diagrama ST . Procesul

43 este procesul ireversibil de laminare care se realizeaz la consti = . Procesul 21 estecel reversibil de comprimare care se realizeaz la constS= .

Fig. 4.3. Ciclul inversat cu procesul de laminare reprezentatn diagrama ST

Schimbul de cldu-r aagentului de lucru i a surselor

se realizeaz la diferen infinitde mic i e echivalent cu aria

10321 . Ciclul-model pentru ciclul

4321 va fi ciclul4521 care este

reversibil pe plan intern i externi are puterea frigorificspecific a ciclului

4321 . Lucrul mecanic specific al ciclului este echivalent cu aria 4521 .Diferena acestor arii va prezenta creterea lucrului laml datorit ireversibilitii n procesul delaminare 43 .

Lucrul suplimentar se determin prin expresia:

lam

l aria 10321 aria 0354 . (4.18)

32


31/107

Agentul de lucru n punctul 3 are rezerv de energie potenial care este echivalent cu aria

630 . n timpul procesului de laminare aceast energie se transform n energia cinetic afluxului de agent frigorific. Dup ventilul de laminare energia cinetic se transform n cldur defrecare i se transmite la agentul de lucru. Aceast cldur este echivalent cu aria nm 46 .Deci, conform legii conservrii energiei

nm = 46aria630aria .

Atunci

=+= 0354aria4521aria10321arial lamlamlama llSTlnm +=++= min53aria4521aria .

n fig. 4.4 este artat ciclul 4321 al mainii frigorifice reale cu procesul adiabaticde comprimare. n acest ciclu sunt prezente toate pierderile ireversibile care au fost analizateanterior pierderile ireversibile legate de schimbul de cldur al agentului de lucru cu sursele,

precum i pierderile legate de procesul de laminare.

Fig. 4.4. Pierderile ireversibile ale ciclului inversat real

Pentru ca s determinmgradul perfeciuniitermodinamice al ciclului

4321 i gradul dereversibilitate trebuie sconstruim ciclul-model. Ciclul-model pentru ciclul analizat seconstruiete n modul urmtor.

Fiindc schimbul de

cldur al agentului de lucru cusursele n

ciclul-model are loc prin diferene infinit de mici ale temperaturilor, atunci ciclul se limiteaz de sus

i de jos de aceste dou linii, adic de liniile aT i tjsT .. . Apoi prin punctul 1 se duce linia

consti = pn la intersecia cu tjsT .. (punctul b ). Deci baza ciclului-model este segmentul

ba , fiindc 41 iiii ab = , adic se realizeaz una din condiiile de construire a ciclului-model - egalitatea puterilor frigorifice specifice ale cicluluimodel i ciclului analizat.

Procesul cb - este cel izentropic de comprimare, procesul dc - este cel izotermic decomprimare (ambele snt procese reversibile), ld - este procesul reversibil de transmitere acldurii prin diferen infinit de mic a temperaturilor i, n sfrit, al - este procesul dedestindere cu constS= (reversibil).

Deci ciclul aedcb

este reversibil pe plan intern i extern i este ciclu-model

33


32/107

pentru ciclul 4321 . Lucrul mecanic specific al ciclului 4321 este echivalent cuaria 10321 , iar cel al ciclului-model cu aria aldcb . Diferena acestordou arii reprezint creterea lucrului datorit prezenei ireversibilitilor n procesele ciclului

4321 :aedcbl aria10321aria .

Gradul de reversibilitate se determin din corelaia

10321aria

ariamin

==

aldcb

l

lr . (4.19)

4.4. Ciclurile reversibile inversate n condiiile surselor externe diferite

S analizm unele principii generale referitor la ciclurile inversate pentru condiiile diferitorsurse externe.

Dac temperatura surselor nu se schimb n procesul de schimb de cldur atunci uniculciclu posibil unde se vor respecta condiiile reversibilitii va fi ciclul Carnot 4321 sauciclul 4651 (fig. 4.5), unde 1546 SSSS = (acest ciclu se numete regenerativ). naceste cicluri procesele izotermice de transmitere a cldurii la agentul de lucru i evacurii clduriide la el vor satisface condiiile externe, dac temperatura agentului de lucru n procesul de schimbde cldur va fi tot timpul infinit apropiat de temperatura constant a surselor (mediul ambiant isursa cu temperatur joas).

Procesele de comprimare i de destindere a agentului de lucru n ciclul Carnot suntizentropice, adic reversibile. n ciclul regenerativ creterea entropiei agentului de lucru n timpul

procesului de comprimare

Fig. 4.5. Ciclul Carnot i ciclul regenerativ n diagramaST

este egal cu reducerea entropiei nprocesul de destindere, adicvariaia total a entropiei n acestedou procese este egal cu zero.Acest ciclu regenerativ se numete ntermodinamic ciclul Carnotgeneralizat.

Eficiena frigorific a cicluluiCarnot sau a ciclului Carnot

generalizat

se exprim prin temperaturile surselor:

jtsa

jts

TT

T

..

..

= . (4.20)

Influena schimbrii temperaturii surselor n ciclul Carnot asupra eficienei frigorifice este34


33/107

diferit i se determin din corelaia urmtoare:

( )2....

jtsa

jts

a TT

T

T

=

, ( )2.... jtsaa

jts TT

T

T =

,

deci,

jtsa TT ..0t 60 C; temperatura normal de vaporizare a amoniacului este de =0t 33.35 C. Printreavantajele amoniacului se numr volumul specific mic la temperaturile de vaporizare uzuale,uurina depistrii scurgerilor de amoniac datorit mirosului specific, solubilitatea redus n ulei, nuexercit aciuni corozive oelului, dar n prezena apei atac zincul, cuprul, bronzul i alte aliaje pe

baz de cupru cu excepia bronzului fosforos. Dintre dezavantaje se menioneaz faptul c estetoxic, exploziv i inflamabil la concentraii de 8.260.19 % amoniac n aer. La temperatura de-77.7 Camoniacul se solidific i la temperatura de 260 Cse descompune n azot i hidrogen.

Bioxidul de carbon 2CO este utilizat n principal n instalaiile de producere a gheii uscate(zpad carbonic). Este neutru n raport cu metalele, neinflamabil, netoxic. Dezavantajul su

const n aceea c temperatura critic este relativ ridicat ( Ctcr += 31 ) la presiunea critic

383.7=crP MPa . Din acest motiv 2CO conduce la presiuni ridicate n condensator.Freonii sunt utilizai pe scar larg n tehnica frigului datorit avantajelor pe care le prezint

i anume: nu sunt toxici, au inflamabilitate redus, sunt neexplozivi, prezint neutralitate chimic.De asemenea, fiind caracterizai prin exponeni adiabatici mici (

3.120.112.1 3 =


37/107

care se scrie numrul atomilor de brom; exemplu: freonul 22BrCF : 212BR .Se remarc faptul c la reducerea numrului atomilor de hidrogen scade inflamabilitatea

i pericolul de explozie. La creterea numrului de atomi de fluor scade toxicitatea i aciuneacoroziv.

39


38/107

Tabelul 5.1

3

Temperatu-ranormal devaporiza-re

Agentul frigorific Formula chimic NotaiaMasamole-cular

Tempe-ratura

normal devapo-rizare,

C

Parametrii critici Tempe-ratura desolidifi-

care, C

Expo-nentuladia-

batic, k

crT , C crP ,MPa310crv ,

kgm3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

nalt

Apa OH2 - 18.016 100 374.2 22.11 3.000 0.0 1.33

Trifluoriclor-etan 332 ClFCFreon-113

R 113187.39 47.68 214.1 3.41 1.735 -36.6 1.09

Pentan 122HC - 72.10 36.0 197.0 3.36 4.29 -131.5 1.09Monofluortri-

clormetan 3CFCl Freon-11

R 11137.39 27.3 198.0 4.37 1.805 -111.0 1.13

Monofluordi-clormetan 2

CHFCl Freon-21R 21

102.92 8.90 178.5 5.16 1.915 -135.0 1.16

Tetrafluordi-clormetan ClCF2 ClCF2

Freon-114R 114

170.91 3.5 145.8 3.27 1.715 -94.0 1.107

Medie Amoniac 3NH R 717 17.031 -33.35 132.4 11.28 4.130 -77.7 1.30

Difluordiclor-metan 22

ClCF Freon-12R 12

120.92 -29.8 112.1 4.11 1.793 -155.0 1.14


39/107

4


40/107

Dezavantajele freonilor constau n viscozitatea lor foarte redus care favorizeaz scurgerileprecum i solubilitatea reciproc cu uleiul care se accentueaz la mrirea presiunii i reducereatemperaturii freonului. Tot n categoria dezavantajelor se ncadreaz i faptul c freonii au odensitate mai ridicat, ceea ce determin creterea rezistenelor hidraulice la circulaia lor princonducte. Pentru limitarea acestor rezistene se procedeaz la mrirea seciunii de trecere prin

conducte. Astfel, diametrul conductei de freon-12 se impune a fi de dou ori mai mare dect celpentru 3NH n condiiile aceleai puteri frigorifice. De asemenea, se remarc faptul c freoniiconduc la coeficieni de transfer de cldur sensibil mai mic n cazul amoniacului.

Freonii atac garniturile de cauciuc i se recomand utilizarea unor materiale rezistente laaciunea freonilor de tipul sevanitului sau a cauciucului freonorezistent. De regul, apa nu sedizolv n freoni. Pentru a evita blocarea seciunilor de trecere se limiteaz procentul masic de apla 004.0 %.

nlocuirea unui atom de clor cu un atom de fluor, n cazul freonilor obinui din metan, etan,

propan i butan determin reducerea temperaturii normale de vaporizare cu st :

m 1 2 3 43

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Difluormono-clormetan

ClCHF2

Freon-22

R 22

86.48

-40.84

96.13

4.931.90

5

-160.

01.16

Difluormono-cloretan ClCF

CH

2

3 Freon-

142R 142

100.48 -9.25

136.45

4.138 2.35

-

130.8

1.135

Trifluoretan 33 CFCH Freon-

143R 143

84.04

-47.6 73.1 4.112.30

5

-111.

3-

Amestec azeotrop51.2% R-

115+48.8% R-

Freon-502

R 502

111.63

-45.62

82.16

4.011.78

8- -

Joas

Bioxid de carbon CO2 R 74444.1

0

-78.5 31.07.38

3

2.15

6

-56.6 1.30

Trifluormono-clormetan

CF3ClFreon-

13R 13

104.46

-81.59

28.75

3.868

1.721

-180.

0-

Tetrafluor-metan CF4Freon-

14R 14

88.0-128.02

-45.53.74

51.58

0

-184.

01.22

Etan C2H6Freon-

170

R 170

30.06

-88.6 32.1 5.03 4.7-

183.

2

1.25

Amestec azeotrop

59.9% R-13

+40.1% R-23

Freon-503

R 503

87.25

-87.84

19.50

4.338

- - -


41/107

st , grd 51 44 39 35

n continuare, se prezint unele caracteristici ale celor mai utilizai freoni:a) cu temperatur normal de vaporizare nalt:

- freonul-11 , 3CFCl , este utilizat ca agent de lucru n instalaiile frigorifice cu

turbocompresor avnd o putere frigorific peste 500...300 kW n scopul condiionrii aerului,pentru rcirea apei precum i n instalaiile de pompe termice. Particularitatea const n puterea

frigorific volumic redus ( 176=vq 3mkJ la 15 C), presiuni de condensare i vaporizare

coborte ( 125.0=cP MPa la 30 Ci 0235.00 =P MPa la15 C);- freonul-21, 2CHFCl , este utilizat ca agent de lucru n instalaiile frigorifice pentru

obinerea unor temperaturi moderate (0 C) n scopul condiionrii aerului, pentru rcirea apei;

- freonul-113 , 332 ClFC , este recomandat ca agent de lucru n instalaiile de condiionare aaerului echipate cu turbocompresoare.

b) cu temperatur normal de vaporizare medie:

- freonul-12 , 22ClCF , este utilizat n instalaiile frigorifice ntr-o treapt echipat cu

compresoare cu piston la temperatur de condensare ct 75 C i temperatura de vaporizare400 t Cprecum i la cele cu turbocompresoare pentru 800 t C;- freonul- 22 , ClCHF2 , este utilizat n instalaiile frigorifice cu o treapt (pn la 40 C)

i n cele n dou trepte (pn la 60 C) echipate cu compresoare cu piston i cu elice la

temperatura de condensare 50ct C. Se remarc tendina de nlocuire a freonului-12 cu freon-

22 n cazul instalaiilor frigorifice de puteri mari;- freonul-142 , ClFHC 232 , este utilizat n instalaiile de pompe termice precum i n celede condiionare a aerului avnd o temperatur ridicat de condensare ( 70...60 C) la o presiunerelativ redus de condensare;

- freonul-143 , 332 FHC , are temperatura normal de vaporizare 6.470 =t C, esteutilizat n instalaiile frigorifice cu o treapt. Cu aerul formeaz amestecuri inflamabile;

c) cu temperatur normal de vaporizare joas:

- freonul-13, ClCF3 , este utilizat n instalaiile frigorifice cu mai multe trepte i n cele n

cascad i permite obinerea unor temperaturi 1100 =t C;- freonul-14 , 4CF , poate fi utilizat n instalaiile frigorifice n trepte sau n cascad pentru

obinerea unor temperaturi de 140100 C.n ultimii ani, n calitate de ageni de lucru ai instalaiilor frigorifice au nceput s fie

utilizate amestecurile azeotrope compuse din doi componeni. Aceste amestecuri au proprietisensibile diferite de cele ale componenilor. Astfel, un amestec, freonul- 500 , format din 8.73 %freon-12 i 2.26 % freon-152 ( 242 FHC ) are temperatur normal de vaporizare de C 33 n timp ce 12R are C 8.29 , iar 152R de C 25 . Caracteristicile amesteculuiazeotrop const n aceea c presiunile de vaporizare i condensare sunt superioare celor care

caracterizeaz fiecare dintre componeni. Ca urmare, pentru un regim dat amestecul azeotrop este4


42/107

caracterizat prin rapoarte de presiuni 0PPc mai reduse i o putere frigorific volumic mai mare.Unul din cele mai perspective amestecuri azeotrope este freonul- 502 . El prezint un amestecazeotrop compus din %2.51 freon-115 i %8.48 freon-22 i este utilizat pentru obinereatemperaturilor medii i joase. Temperatura normal de vaporizare a lui 502R este C 6.45 .Utilizarea acestui freon este cea mai eficient n mainile frigorifice cu compresoare ermetice i

permite micorarea consumului de energie cu %1510 i creterea capacitii frigorifice cu%10080 n raport cu 12R . Datorit temperaturilor de refulare relativ reduse nu se impun

condiii stricte ctre gradul de supranclzire a vaporilor aspirai n compresor. Freonul- 502 poatefi utilizat la nivelul unor temperaturi de condensare Ctc += 40 .

Spre deosebire de amestecurile azeotrope amestecurile neazeotrope se caracterizeaz princoncentraii de echilibru diferite ale componenilor n faza lichid i n cea gazoas. Vaporizarea icondensarea amestecurilor azeotrope are loc la temperaturi variabile. Schimbnd compoziia acestoramestecuri se pot obine proprieti care n condiii actuale vor asigura cea mai nalt eficien a

proceselor mainii: reducerea ireversibilitii procesului de schimb de cldur la temperaturivariabile ale surselor, creterea capacitii frigorifice, reducerea temperaturii sfrituluicomprimrii, lrgirea zonei de aplicare dup temperaturile de condensare i evaporare etc.

Agenii frigorifici mai obinuii, care fac parte din grupa hidrocarburilor, sunt: metan, etan,etilena, propilena, propan, butan izobutan i pentan.

Analiznd proprietile termodinamice ale acestor hidrocarburi se constat c ele au o seriede avantaje cum sunt: temperaturi de vaporizare coborte i respectiv temperaturi de solidificarecoborte.

Astfel, metanul are temperatura de vaporizare n condiii normale, Ct = 5.1610 , iartemperatura de ngheare - 182.48 C. n domeniul temperaturilor joase, presiunile de lucru lavaporizator i condensator sunt moderate. Astfel, lucrnd cu rapoarte de presiuni relativ mici,compresorul va trebui s aib un numr mic de trepte de comprimare. Aproape toate hidrocarburileau temperatura critic destul de cobort, fapt ce constituie un dezavantaj serios. Din aceast cauzla instalaiile n cascad hidrocarburile se pot folosi doar n treapta inferioar. De asemenea suntinflamabile, formnd cu aerul amestecuri explozive. Faptul c se amestec cu uleiul contribuie lareducerea viscozotii acestuia. Au greuti moleculare mici, iar toxicitatea este redus.

Se recomand folosirea acestor hidrocarburi ca ageni frigorifici, n special n industriachimic, unde de multe ori apar ca reziduuri din procesul de fabricaie sau chiar ca materie prim.

Se folosesc n instalaii cu puteri frigorifice mari i temperaturi joase.

5.3. Caracteristicile agenilor de lucru a instalaiilorfrigorifice cu comprimare termochimic

Instalaiile frigorifice cu absorbie permit utilizarea acelor ageni de lucru pentru care existabsorbani corespunztori. Este necesar respectarea unor condiii suplimentare care constau nurmtoarele:

- diferen mare ntre temperaturile normale de vaporizare ale agentului de lucru i

5


43/107

absorbantului, ce permite reducerea gradului de antrenare a absorbantului de ctre vaporii agentuluide lucru i micorarea dimensiunilor aparatelor de rectificare;

- cldur specific mic a absorbantului pentru reducerea suprafeei de nclzire aschimbtorului de cldur;

- cldur de vaporizare ct mai mare pentru reducerea dimensiunilor schimbtoarelor de

cldur i conductelor precum i a debitului de agent;- diferen mic de presiune ntre condensator i vaporizator n vederea reducerii consumuluide energie necesar pentru pomparea soluiei;

- cldur de dizolvare ct mai mic a agentului de lucru cu absorbantul n cazul instalaiilorfrigorifice i ct mai mare la instalaiile de pompe termice.

Soluia hidroamoniacal compus din agentul frigorific - amoniacul ( 3NH ) i absorbantul

apa ( OH2 ) este utilizat att n instalaiile frigorifice pentru obinerea unor temperaturi deC 600 ct i cele de pompe de cldur. Diferena temperaturilor normale de vaporizare ale

apei i amoniacului fiind de 133 grd.Soluia de bromur de litiu compus din agentul frigorific apa ( OH2 ) i absorbantul

bromur de litiu (LiBr) este utilizat n instalaiile frigorifice la nivel de condiionare a aerului ircire a apei pentru realizarea unor temperaturi de C+ 100 . Diferena temperaturilor normalede vaporizare ale celor doi componeni fiind de 1165 grd, se constat c n faza de vapori a

soluiei de LiBr se afl numai vapori de ap.

5.4. Agenii purttori de frig

n calitate de ageni purttori de frig la nivelul frigului moderat sunt utilizate saramurile,adic soluiile de clorur de sodiu (NaCl) i clorur de calciu ( 2CaCl ) n ap.

Temperatura de congelare a acestor soluii depinde de concentraia masic a srii n soluie.

Pentru 0= rezult c temperatura de congelare este de 0 C. La creterea concentraiei aceasttemperatur scade pn la o anumit valoare critic cr a concentraiei, temperatura de congelaredevine minim. n fig. 5.1 sunt artate legile de variaie a temperaturii de congelare n funcie de

concentraia pentru cele dou soluii.

Punctul C este punctul criohidric. n cazul soluiei de clorur de sodiu, temperatura minimde congelare n punctul criohidric este de C 2.21 la %1.23=cr . n cazul soluiei de clorurde calciu aceast temperatur este de C 55 la %9.29=cr .

Curba A n figura 5.1 caracterizeaz schimbarea temperaturii de congelare a soluiilor sautemperaturii de topire a amestecului, curba B este linia de solubilitate a srii n ap sau linia dedegajare a cristalelor de sare.

Ca ageni purttori de frig pot fi utilizate lichidele antigel de tipul soluiei de etilenglicol

( ) 242 OHHC i propilenglicol ( ) 263 OHHC . De asemenea, se poate folosi n anumite condiii

amoniacul ( 3NH ), freonul-30 ( 22ClCH ), freonul-11 ( 3CFCl ).

6


44/107

5.5. Cercetri actuale privind limitarea efectelor negative ale agenilor frigorifici asupramediului ambiant

Printre efectele negative ale agenilor frigorifici asupra mediului ambiant se remarcnclzirea global a planetei noastre prin distrugerea stratului de ozon i prin intensificarea efectuluide ser.

5.5.1. Contribuia clorfluorcarbonilor la distrugerea stratului de ozon

Unii ageni frigorifici, n special clorfluorcarburile (CFC), contribuie la distrugerea stratului

de ozon. Stratul de ozon este o parte component vital a atmosferei. El protejeaz viaa oamenilorde efectele nocive ale radiaiei solare ultraviolete excesive. n consecin substanele chimice ceafecteaz stratul de ozon sunt supuse controlului. Majoritatea rilor din lume sau asociat cu scopulsoluionrii acestei probleme. Ele au elaborat un tratat, numit Protocolul de la Montreal, pentru astopa producerea substanelor chimice, inclusiv a agenilor frigorifici ce cauzeaz epuizareastratului de ozon.

Ozonul ( 3O ) este un gaz din atmosfer compus din trei atomi de oxigen. El se formeaz atunci

cnd razele solare ultraviolete cauzeaz descompunerea moleculelor de oxigen ( 2O ). Atomii de

oxigen (O ) formai reacioneaz cu moleculele de oxigen pentru a forma ozonul. Ozonul este ungaz rarefiat situat la altitudinea de 15-60 km. Acolo el formeaz aa-numitul strat de ozon. nacest strat ozonul persist n cantiti foarte mici: concentraia sa maxim la nlimea de circa 2025 km este doar 10 pri la un milion.

Ozonul este unic prin faptul c el absoarbe anumite tipuri de raze ultraviolete ce nu pot fiabsorbite de alte gaze din atmosfer. Cu toate acestea, o anumit cantitate de radiaie ultravioleteste necesar pentru meninerea vieii, dar prea mult radiaie ultraviolet poate avea efecte nocive.Unele din aceste efecte sunt:

creterea riscului de cancer al pielii;

cretera riscului de dezvoltare a cataractei;7


45/107

efecte duntoare asupra sistemului imun uman; reducerea recoltei culturilor agricole; efecte nefavorabile asupra dezvoltrii fitoplanctonului, verig primar n lanul alimentar

marin.Unii ageni frigorifici sunt att de stabili (unii CFCnu se descompun timp de 100 ani), nct

ei nu sunt descompui n troposfer (partea inferioar a atmosferei). Prin circulaia aerului acetiageni frigorifici stabili se degaj n aer i sunt dispersai pe tot globul, ajungnd n stratosfer(partea supeioar a atmosferei). Aici ei sunt expui la o cantitate mai mare de radiaie ultraviolet.Razele ultraviolete puternice pot descompune agenii frigorifici, elibernd clorul. Clorulreacioneaz cu ozonul formnd oxigen. Atomul de clor doar catalizeaz procesul, el nu esteimplicat n reacie. Cu toate acestea un singur atom de clor continu transformarea ozonului noxigen prin mii de reacii similare.

Ozonul este distrus nu numai prin intermediul agenilor frigorifici. El este distrus i pe calenatural, fiind transformat n oxigen de razele solare ultraviolete. Acest proces sa petrecut pe tot

parcursul existenei Pmntului, aa cum reacia invers (oxigenul n ozon). Se consider c pn la

introducerea substanelor chimice produse de om, acest proces a fost n echilibru, cantitatea de ozonfiind relativ constant.Cercetrile tiinifice au demonstrat c cantitatea de ozon din atmosfer n anumite regiuni i

n anumite perioade a anului sa redus. Parial de aceasta sunt responsabile substanele chimice careconin clor. Aceti compui sunt utilizai drept carburani, ca ageni de expandare, solveni nelectrotehnic i ageni frigorifici. Substanele chimice longevive cu coninut de brom, cum sunthalonii pentru instalaii antiincediare, de asemenea, contribuie la epuizarea ozonului.

Hidroclorfluorcarburile (HCFC) fac parte din CFC i au fost fabricate n calitate desubstituieni. Ele sunt folosite preponderent ca ageni frigorifici i n producerea spumelor. HCFCsunt mai puin periculoase dect CFC, deoarece prezena atomului de hidrogen le face s se

descompun cu preponderen n straturile inferioare ale atmosferei prevenind ca o mare parte aclorului s ajung n stratosfer.

Pentru a contribui la distrugerea ozonului, substana trebuie s posede dou proprieti. Sposede clor, brom sau ali atomi similari pentru a participa la reacia chimic dintre ozon i oxigen.Ea trebuie s fie longeviv n atmosfera inferioar pentru a ajunge n stratul de ozon.

Dintre freoni, cei mai nocivi sunt cei care conin n molecula lor brom il elibereaz.Moleculele agenilor frigorifici halogenai sunt foarte stabile, iar durata de existen a acestora poateatinge chiar sute de ani. Din acest considerent majoritatea freonilor eliberai n atmosfer constituieun pericol pentru generaia viitoare i pentru viitorul planetei. Durata de existen a unei moleculede agent halogenat este funcie de numrul de atomi de hidrogen care au fost nlocuii cu atomi de

clor i n special prin atomi de fluor. Astfel, duratele de existen estimate sunt pentru R22 de 20ani, pentru R12 120 ani, n timp ce pentru R13 este de 400 ani. n consecin, din punct devedere al duratei de existen, cei mai nocivi freoni sunt cei care nu mai conin hidrogen nmolecul, adicR11,R12,R113,R114,R115,R502 .a.m.d.

n literatura de specialitate exist referiri la ordinea nocivitii diferiilor freoni asuprastratului de ozon. Fiecrei molecule a unui agent halogenat i se atribuie un indice relativ denocivitate pentru stratul de ozon, denumit potenial de distrugere a ozonului i notat prin PDO(ODP=Ozone Depletion Potential). Fiind cel mai nociv, freonului R11 i sa atribuit indiceleunitar de distrugere a ozonului:

( ) 111 =RPDO .8


46/107

Dac se consider 100 % nocivitatea pentru stratul de ozon al freonului R11, atunci,informativ, nocivitile altor freoni sunt dup cum urmeaz: R12,R114 (100 %),R113 (80 %),

R115 (60 %),R502 (40 %),R141B (10 %),R22,R123,R142B .a.m.d.Cu toate c procesul de epuizare a stratului crete de la tropice spre latitudinele medii,

piederile maxime au fost constatate deasupra Antarcticii n lunile septembrie i octombrie.Acest fenomen este numit gaur de ozon. Fiecare iarn vortexul polar izoleaz o mas larg

a stratosferei Antarcticii. n timpul iernii, cantitatea razelor solare se micoreaz i se face extremde frig. Temperatura joas favorizeaz creterea norilor reci, care servesc drept suprafa pentrurecii chimice speciale. n pofida absenei razelor solare, chimicalele care conin clor i suntinactive sunt transformate n forme active, capabile s atace ozonul. Primvara, cnd cantitatearazelor solare crete, acest proces se accelereaz i rezult n distrugerea foarte rapid a ozonului

pn cnd dispare vortexul polar, dispersnd aerul n direcia ecuatorului.Experienele efectuate recent n Arctica au artat c aici sunt prezente unele mecanisme de

distrugere rapid a ozonului. Din fericire, vortexul polar n Arctica, de obicei, dispare primvaradevreme; nainte ca razele solare s reueasc s distrug o cantitate mare de ozon i s provoace

apariia unei guri mari n nveliul de ozon.n ultimii 20 ani au fost elaborate acorduri internaionale stricte referitor la necesitateaproteciei stratului de ozon. Primul pas de transformare a acestor acorduri n aciuni globale a fostefectuat n martie 1985, n baza dovezilor tiinifice ferme c chimicalele produse de om duneazstratului de ozon. Aceasta sa soldat cu adoptarea la Viena a Conveniei privind protecia stratuluide ozon. Prile Conveniei au czut de acord s ia msuri corespunztoare pentru proteciaozonului i au anticipat negocierea protocoalelor de msuri speciale.

Necesitatea unui protocol a aprut, practic, imediat, cnd n iunie 1985 au fost publicateprimele date despre apariia gurii de ozon n Antarctida. Negocierile globale pentru un protocol aufost puse pe primul plan i n septembrie 1987 au rezultat n adoptarea la Montreal a Protocolului

privind substanele care distrug stratul de ozon. Protocul de la Montreal a intrat n vigoare nianuarie 1989 i este baza legal pentru eforturile mondiale de a proteja stratul de ozon prinintermediul controlului producerii, consumului i folosirii substanelor care distrug ozonul.

Actualmente Protocul de la Montreal a fost ratificat de 181 ri, care au devenit pri aleProtocolului i sau ncadrat legal n condiiile lui. Circa 1/3 sunt ri dezvoltate, iar 2/3 sunt ri ncurs de dezvoltare. Protocolul de la Montreal original definete msurile care trebuie luate de pri

pentru a limita producerea i consumul a 5 substane care distrug ozonul (SDO), cunoscute nlimbajul protocolului ca substane controlate. La ntlnirile de la Londra i Copenhaga din 1990 i1992, con

Carte MF Nou

Documents

Transcript of Carte MF Nou