CursMasini frigorifice

7/27/2019 CursMasini frigorifice

1/105

IINNSSTTAALLAAIIII FFRRIIGGOORRIIFFIICCEE

TTeeoorriieeii pprrooggrraammee ppeennttrruu iinnssttrruuiirree


2/105

Mugur BLAN

2

Versiune disponibil pe internet: www.termo.utcluj.ro/if


3/105

Instalaii frigorifice. Teorie i programe pentru instruire

3

CCC uuu ppp rrriii nnn sss :::

1 . N O I U N I INTRODUCTIVE.......................................................................................5

1.1 Obiectul cursului .....................................................................................................51.2 Scurt istoric..............................................................................................................61.3 Domenii de utilizare a temperaturilor sczute.........................................................61.4 Principiul de funcionare a instalaiilor frigorifice ..................................................71.5 Prile componente ale instalaiilor frigorifice......................................................121.6 Comparaie ntre instalaiile frigorifice i pompele de cldur .............................14

2. AGENI FRIGORIFICI .................................................................................................162.1 Consideraii generale .............................................................................................162.2 Tipuri de ageni frigorifici.....................................................................................17

3. DIAGRAME TERMODINAMICE ALE AGENILOR FRIGORIFICI.......................203.1 Noiuni introductive...............................................................................................203.2 Diagrama T-s a vaporilor.......................................................................................213.3 Diagrama h-s a vaporilor.......................................................................................223.4 Diagrama lgp-h a vaporilor ...................................................................................23

4. CICLURI TERMODINAMICE INVERSATE REVERSIBILE....................................244.1 Ciclul Carnot inversat reversibil............................................................................244.2 Cicluri inversate reversibile cu temperaturi variabile ale surselor de cldur.......26

5. MAINI FRIGORIFICE NTR-O TREAPT DE COMPRIMARE ...........................305.1 Ciclul ideal.............................................................................................................305.2 Ciclul teoretic n domeniul de vapori umezi .........................................................315.3 Ciclul teoretic cu comprimare n domeniul de vapori supranclzii ....................335.4 Ciclul real ..............................................................................................................385.5 Ciclul teoretic ameliorat prin subrcire cu ap......................................................405.6 Ciclul teoretic ameliorat prin subrcire intern (regenerarea)...............................42


4/105

Mugur BLAN

4

6. MAINI FRIGORIFICE N DOU TREPTE DE COMPRIMARE .............................466.1 Necesitatea utilizrii a dou trepte de comprimare ...............................................466.2 R cirea intermediar..............................................................................................46

6.2.1 R cirea intermediar cu ap ..............................................................................47

6.2.2 R cirea intermediar cu agent frigorific ...........................................................486.3 Avantaje i dezavantaje ale comprimrii n dou trepte........................................526.4 Determinarea presiunii intermediare optime .........................................................526.5 Instalaia cu o laminare i rcire intermediar complet .......................................536.6 Instalaia cu dou laminri i rcire intermediar complet ..................................566.7 Instalaia cu subrcire avansati rcire intermediar complet...........................586.8 Instalaia cu subrcire avansati rcire intermediar incomplet........................616.9 Instalaia cu dou nivele diferite de temperatur sczut ......................................636.10 Instalaia cu dou nivele de temperatur sczut apropiate ca valoare .................656.11 Instalaii n dou trepte cu freoni ...........................................................................67

7. SOFTWARE PENTRU INSTRUIRE.............................................................................717.1 Programul FRIG M................................................................................................ 717.2 Programul FRIGO STAR......................................................................................807.3 Programul DEPOZIT.............................................................................................867.4 Instruire de tip multimedia. Rcirea n condiionarea aerului ...............................937.5 Programul FRIGODEP..........................................................................................94

8. TERMINOLOGIE UTILIZAT N TEHNICA FRIGULUI.........................................95

BIBLIOGRAFIE................................................................................................................101


5/105


5

111 ... NNN OOO III UUU NNN III III NNN TTT RRR OOO DDD UUU CCC TTT III VVV EEE

1.1 Obiectul cursului

Cursul "Instalaii frigorifice. Teorie i programe pentru instruire", abordeaz dinpunct de vedere funcional, energetic i constructiv, dou tipuri de instalaii termice, carefuncioneaz dup acelai tip de cicluri termodinamice i anume instalaiile frigorifice ipompele de cldur. Diferenele dintre aceste instalaii nu sunt de natur funcional, ciconstau numai n nivelurile de temperatur ntre care se lucreaz. Din acest motiv, cele maimulte probleme sunt abordate din punctul de vedere al instalaiilor frigorifice, iar concluziile

pot s fie extrapolate i la pompele de cldur.Aceste tipuri de echipamente se ncadreaz la ora actual n categoria celor mai

rspndite. Se ntlnesc n apartamente, birouri, hotele, restaurante sau spaii publice, seutilizeaz pentru pstrarea produselor alimentare i condiionarea aerului, n industriaalimentar, pentru realizarea unor procese tehnologice, sau pentru depozitarea produselor, n

industria chimic, pentru asigurarea condiiilor de desfurare a unor reacii, n industriaconstructoare de maini, n medicin, farmaceutici n multe alte domenii.n principiu, toate noiunile sunt abordate de la simplu la complex, iar pentru o bun

nelegere s-a apelat acolo unde a fost cazul, la exemple numerice.Sunt incluse elemente de instruire asistat de calculator, prin descrierea unui program

original de prezentare termodinamic animat a proceselor de lucru i de calcul a ciclurilorfrigorifice, program pentru calculatoare de tip IBM-PC i a unor alte programe utilizate

pentru instruire n tehnica frigului la Universitatea tehnic. Unele dintre aceste programe suntrealizate de autor singur sau cu ajutorul studenilor n cadrul proiectelor de absolvire aleacestora, iar pentru alte programe au fost achiziionate licene de utilizare.

Cele mai importante aspecte practice de comportare n exploatare a acestor tipuri de

echipamente sunt abordate detaliat n numeroase paragrafe.Pentruproiectarea din punct de vedere termic i constructiv a aparatelor componente

ale acestor instalaii sunt prezentate numeroase elemente de calcul i soluii pentruautomatizarea funcionrii acestor instalaii.

Din punct de vedere bibliografic, acest curs se refer att la literatura naional despecialitate ct i la numeroase lucrri recente din strintate, studiate n biblioteci europene,sau achiziionate n cadrul unor programe de cooperare i finanare internaional anvmntului tehnic superior din Cluj-Napoca.


6/105

Mugur BLAN

6

1.2 Scurt istoric

Efectele frigului asupra omului i asupra produselor alimentare a fost constatat dincele mai vechi timpuri. nc din antichitate, n zonele cu clim cald, s-au utilizat zpada igheaa din muni pentru "condiionarea aerului" i pentru pstrarea alimentelor.

Aplicaiile frigului, ca metod de conservare, dateaz din timpuri imemoriale.Eficiena frigului din acest punct de vedere a fost demonstrat prin descoperirea n zonelefrigului venic, a unor corpuri de animale (mamui) perfect conservate pe durata a mii de ani.

n secolul XVIII se cunoteau deja circa 10-15 amestecuri pentru scdereatemperaturii. Ca exemplu clorura de calciu (CaCl2) n amestecat cu zpad permite scdereatemperaturii pn la 32,8C.

Producerea frigului artificial a nceput relativ recent i cteva dintre cele maiimportante repere cronologice pot fi considerate urmtoarele:

- 1748 William Cullen de la Universitatea din Glasgow, Scoia, realizeaz primademonstraie de producere a frigului artificial, prin evaporarea unui agenttermodinamic n vid parial (sub depresiune);

-

1805 Oliver Evans din Philadelphia, statul Pensylvania, S.U.A., realizeaz unsistem de rcire n circuit nchis, prin comprimare de vapori;- 1844John Gorrie din Florida, S.U.A., descrie ntr-o lucrare maina produs de el

pentru producerea de ghea i aer rece necesare spitalului su. Aceast mainpoate s fie considerat prima din lume destinat rcirii i producerii aeruluicondiionat;

- 1859 Ferdinand Carr din Frana, realizeaz prima main din Europa, destinatproducerii de ghea, funcionnd ns pe un alt principiu, cel al absorbiei;

- n a doua jumtate a secolului XIX, producia frigului artificial este caracterizatde un avnt deosebit. Astfel, n aceast perioad se instaleaz primele instalaiifrigorifice pe nave, aceste echipamente fiind destinate transportului de carne din

Australia i Argentina, spre Europa. Probabil, marinarii acestor nave au fost primiioameni care au consumat carne congelat;- 1929 Clarence Birdeye din S.U.A., realizeaz pentru prima dat congelarea de

produse perisabile;- Dup al doilea rzboi mondial se extinde mult industria conservrii prin frig, apar

numeroase utilaje i procedee noi.

1.3 Domenii de utilizare a temperaturilor sczute

Tehnica frigului analizeaz fenomene i procese care au loc ntre cca. + 100C i 0K( 273,15C), stabilete procedee de calcul i soluii constructive pentru realizarea unei game

de maini i instalaii care lucreaz ntr-un domeniu larg de temperaturi:(+ 40 + 100)C pompe de cldur;( 0 + 5)C instalaii de climatizare i condiionarea aerului;( 200 0)C instalaii n domeniul frigului industrial:

- n industria chimic, de exemplu, domeniul acoper inclusiv procesele delichefiere a aerului i separare a unora din componentele sale;

- n industria alimentar, exist aplicaii pn la temperaturi de cca. 30C.(0K 200C) criogenie sau frig adnc:

- limita superioar de la care se consider c ncepe domeniul criogeniei nueste precis definit, dar diferii autori consider aceast limit ca fiind:

77K = 196C temperatura de fierbere a azotului;

80K = 193C temperatura de fierbere a aerului;120K = 153C temperatura de fierbere a metanului.


7/105


7

Una dintre cele mai sczute temperaturi realizate artificial pe Pmnt, a fost realizatn 1967 la "Naval Research Laboratory", avnd o valoare sub 10-6K.

Cea mai mare producie de frig, corespunde frigului industrial, iar ntre cei maiimportani consumatori de frig sunt:

- Industria chimic, iar acesteia i corespund cele mai mari debite de frig, la

parametrii riguros constani, pentru:- evacuarea cldurilor de amestec i de reacie;- separarea unor sruri din soluii lichide;- lichefierea unor gaze etc.;

- Industria alimentar, care necesit temperaturi sczute:- n reeaua comercial;- n depozite de produse alimentare;- n procese tehnologice;

- Industria extractiv, unde frigul se utilizeaz pentru nghearea solului n vedereaexecutrii unor galerii;

- Industria constructoare de maini, pentru tratamente termice, asamblri prin

fretaj, prelucrri pretenioase prin achiere etc.;- Construcii, n vederea ngherii solului, rcirii componentelor betonului nainte

de turnare, etc.;- Laboratoare de cercetri, pentru studiul comportrii unor materiale sau utilaje n

condiii de temperatur sczut.

1.4 Principiul de funcionare a instalaiilor frigorifice

Instalaiile frigorifice i pompele de cldur, sunt maini termice care au rolul de aprelua cldura de la un mediu avnd temperatura mai sczuti de a o ceda unui mediu avndtemperatura mai ridicat, aa cum se observi pe schema energetic din figura 1.1. Acesta

poate s fie considerat cel mai simplu model de instalaie frigorific, deoarece nu conine niciun element de natur constructiv. Din acest punct de vedere

poate s fie asimilat cu o "cutie neagr", a crei funcionareva fi analizat n continuare i care urmeaz s fie deschis

pentru a i se studia componena i a i se releva secretele deproiectare, exploatare i automatizare.

Mediul cu temperatura mai sczut, de la care se preiacldur este denumit sursa rece, iar mediul cu temperaturamai ridicat, cruia i se cedeaz cldur, este denumit sursacald. Este cunoscut c avnd capacitate termic infinit,temperaturile surselor de cldur rmn constante chiar dacacestea schimb cldur.

Fluxul de cldura absorbit de la sursa rece a fostnotat cu 0Q& , iar fluxul de cldur cedat sursei calde, a fost

notat cu kQ& . Conform principiului doi al termodinamicii,pentru transportul cldurii, n condiiile prezentate, estenecesari un consum de energie, notat cu P.

n cazul instalaiilor frigorifice, sursa rece se gsetesub temperatura mediului ambiant, iar procesul de coborre atemperaturii sub aceast valoare, este denumit rcireartificial.

Fig. 1.1 Schema energetic ainstalaiilor frigorifice i a

pompelor de cldur


8/105

Mugur BLAN

8

Agentul de lucru, care evolueaz n aceste instalaii, este denumit agent frigorific.Pentru a putea s preia cldur de la sursa rece, agentul frigorific trebuie s aib

temperatura mai mic dect aceasta.n timpul prelurii de cldur de la sursa rece, agentul frigorific se poate comporta n

dou moduri diferite:

- se poate nclzi mrindu-i temperatura;- poate s-i menin temperatura constant.Cele dou posibile variaii de temperatur (t) a agentului de lucru, de-a lungul

suprafeelor de schimb de cldur (S), sunt prezentate n figurile 1.2 i 1.3. Cu tr a fost notattemperatura sursei reci, iar sgeile reprezint sensul transferului termic (de la sursa rece laagentul frigorific).

Este evident c meninerea constant a temperaturii agentului frigorific n timpulprelurii de cldur, este posibil numai n condiiile n care se produce transformarea striide agregare i anume vaporizarea.

Relaiile pentru calculul cldurii absorbite (Q0) n cele dou situaii sunt:]kJ[tcmQ p10 = (1.1)

pentru cazul fr schimbarea strii de agregare, unde m1[kg] este cantitatea de agent delucru care se nclzete, cp[kJkg

-1K] este cldura specific, iar t[K] este variaiatemperaturii agentului frigorific ntre strile de ieire i intrare, n contact termic cu sursarece, respectiv:

]kJ[rmQ 20 = (1.2)pentru cazul cu schimbarea strii de agregare, unde m2[kg] este cantitatea de agent de lucrucare vaporizeaz, iar r[kJkg-1] este cldura latent de vaporizare a agentului frigorific, latemperatura de vaporizare t0.

Pentru a se realiza un transfer termic eficient, t este limitat la cel mult cteva grade.Schimbul de cldur la diferene finite de temperatur este nsoit de ireversibiliti de naturinterni cu ct diferenele de temperatur sunt mai mari, cu att transferul termic este mai

puin eficient. Din aceast perspectiv este preferabil varianta cu schimbarea strii deagregare, creia i corespunde o temperatur constant a agentului frigorific i o diferen detemperatur constant, care poate s fie micorat prin soluii tehnologice. n varianta frschimbarea strii de agregare, pentru a absorbi mai mult cldur, este nevoie de o nclziremai pronunat a agentului frigorific, nsoiti de creterea diferenei medii de temperatur,fa de sursa rece, deci de un caracter ireversibil mai accentuat. n aceste condiii, pentruorice substan r>>cpt. Comparnd relaiile (1.1) i (1.2) apare evident c pentru a absorbiaceeai cldur Q0, fr schimbarea strii de agregare este necesar o cantitate mult mai mare

de agent frigorific, dect n cazul cu schimbarea strii de agregare, deci m1>>m2. Acesta esteal doilea motiv pentru care este preferabil varianta cu schimbarea strii de agregare.

Fig. 1.2 nclzirea agentului delucru n timpul prelurii de

cldur

Fig. 1.3 Absorbia de cldur dela sursa rece, cu meninerea

constant a temperaturii


9/105


9

Dac se consider cazul funcionrii continue a acestor tipuri de instalaii, mrimeacaracteristic pentru intensitatea transferului termic nu mai este cldura, ci fluxul termicabsorbit de agentul frigorific de la sursa rece, sau sarcina termic a vaporizatorului, mrimenotat cu 0Q& . Aceast mrime este denumit i putere termic, iar n cazul instalaiilor

frigorificeputere frigorific. Pentru a rescrie relaiile (1.1) i (1.2), folosind aceast mrime,cantitile de agent frigorific, m1i m2, trebuie s fie nlocuite cu debitele masice, notate cu

1m& respectiv 2m& . Dac se mpart cele dou relaii la timp, se obine:

]kW[tcmQ p10 = && (1.3)

]kW[rmQ 20 = && (1.4)n aceast situaie, transferul termic dintre sursa rece i agentul frigorific, n condiiile

vaporizrii celui din urm, este caracterizat prin debite masice mult mai reduse dect nabsena schimbrii strii de agregare.

Pentru a putea s cedeze cldur sursei calde, agentul frigorific trebuie s aibtemperatura mai mare dect aceasta.

n timpul cedrii de cldur ctre sursa cald, agentul frigorific se poate comporta, cai n cazul interaciunii termice cu sursa rece, n aceleai dou moduri diferite:- se poate rci micorndu-i temperatura;- poate s-i menin temperatura constant.Cele dou posibile variaii de temperatur (t) a agentului de lucru, de-a lungul

suprafeelor de schimb de cldur (S), sunt prezentate n figurile 1.4 i 1.5. Cu tc a fost notattemperatura sursei calde, iar sgeile reprezint sensul transferului termic (de la agentulfrigorific spre sursa rece).

Este evident c meninerea constant a temperaturii agentului frigorific n timpulcedrii de cldur, este posibil numai n condiiile n care se produce transformarea strii deagregare i anume condensarea.

Relaiile pentru calculul cldurii cedate (Qk) n cele dou situaii sunt:]kJ[tcmQ p1k = (1.5)

pentru cazul fr schimbarea strii de agregare, unde m1[kg] este cantitatea de agent delucru care se rcete, cp[kJkg

-1K] este cldura specific, iart[K] este variaia temperaturiiagentului frigorific ntre strile de intrare i ieire, n contact termic cu sursa cald, respectiv:

]kJ[rmQ 2k = (1.6)pentru cazul cu schimbarea strii de agregare, unde m2[kg] este cantitatea de agent de lucrucare condenseaz, iar r[kJkg-1] este cldura latent de condensare a agentului frigorific la

temperatura de condensare tk, egal cu cldura latent de vaporizare la aceeai temperatur.

Fig. 1.4 Rcirea agentuluide lucru n timpul cedrii

de cldur

Fig. 1.5 Cedarea de cldurspre sursa cald, cu menine-rea constant a temperaturii


10/105

Mugur BLAN

10

Din aceleai considerente menionate la schimbul de cldur prin vaporizare ncontact termic cu sursa rece, pentru a avea un transfer termic eficient cu sursa cald, t estelimitat tot la cel mult cteva grade. Din nou este preferabil varianta cu schimbarea strii deagregare. Acelai raionament aplicat n situaia prelurii de cldur de la sursa rece,evideniazi pentru cazul contactului termic cu sursa cald, c este necesar o cantitate mai

mic de agent frigorific n varianta cu schimbarea strii de agregare, motiv pentru care iarieste preferabil varianta cu schimbarea strii de agregare.

Pentru cazul funcionrii continue a acestor tipuri de instalaii, utilizndfluxul termiccedat de agentul frigorific sursei calde, sarcina termic, sau puterea termic acondensatorului, mrime notat cu kQ& i debitele masice, notate tot cu 1m& respectiv 2m& ,mprind relaiile (1.5) i (1.6) la timp, se obine:

]kW[tcmQ p1k = && (1.7)

]kW[rmQ 2k = && (1.8)Din nou transferul termic dintre sursa de cldur i agentul frigorific, n condiiile

schimbrii strii de agregare, este caracterizat prin debite masice mult mai reduse dect nabsena acesteia.

Acest aspect are implicaii importante asupra ntregii instalaii. Debite mai redusenseamn consumuri de energie mai reduse pentru vehicularea agentului de lucru, diametremai reduse pentru conducte, respectiv elemente geometrice mai reduse din punct de vederedimensional, pentru schimbtoarele de cldur.

Din motivele prezentate anterior, n majoritatea covritoare a instalaiilor frigorificei a pompelor de cldur, este preferat transferul termic ntre agentul de lucru i sursele decldur, prin schimbarea strii de agregare.

Cele dou aparate ale instalaiei frigorifice, sau pompei de cldur, aflate n contact cusursele de cldur, sunt unele dintre cele mai importante pri ale acestor instalaii i se

numesc, vaporizator (notat cu V) i condensator (notat cu K).Din punct de vedere al instalaiilor frigorifice, efectul util sau frigul artificial, esterealizat n vaporizator, prin preluare de cldur de la sursa rece. Din punct de vedere al

pompelor de cldur, efectul util se realizeaz n condensator, prin cedare de cldur surseicalde.

Conform principiului doi al termodinamicii, cldura nu poate s treac de la sine, dela o temperatur mai sczut (sursa rece) la una mai nalt (sursa cald), fr un consum deenergie (mecanic sau de alt natur) din exterior.

Energia consumat din exterior, pentru funcionarea instalaiei, este o putere mecanicsau termic, a fost notat pe figura 1.1 cu P i se msoar n [kW].


11/105


11

Dac se efectueaz un bilan energetic pentru instalaiile frigorifice, sau pompele decldur, respectiv dac se aplic principiul nti al termodinamicii, se observ c suma dintreenergiile introduse n sistem, adic sarcina termic a vaporizatorului 0Q& i puterea P, este

egal cu energia evacuat din sistem i anume sarcina termic a condensatorului kQ& .Matematic acest lucru se poate scrie sub forma:

]kW[PQQ 0k += && (1.9)

Temperaturii t0 la care vaporizeaz agentul frigorific, denumit temperatur devaporizare, i corespunde o presiune de saturaie unic, notat p0 i denumitpresiune devaporizare.

Analog, temperaturii la care condenseaz agentul frigorific, denumittemperatur decondensare, i corespunde o presiune de saturaie unic, notat pk i denumitpresiune decondensare.

n figura 1.3 se observ c deoarece agentul frigorific are n orice punct alvaporizatorului temperatura mai mic dect temperatura sursei reci, atunci t0tc. Pentru c temperaturilesurselor de cldur sunt n relaia evident tc>tr, rezult clar c temperatura de condensareeste mai mare dect temperatura de vaporizare (tk>t0), deci este evident ci pk>p0. Valorilecelor dou presiuni vor fi asigurate de celelalte aparate ale acestor instalaii.

Fig. 1.6 Schema fluxurilorenergetice din instalaiile

frigorifice i pompele de cldur


12/105

Mugur BLAN

12

innd seama de nivelul de temperatur la care se schimb energie ntre agentulfrigorific i sursele de cldur, se poate reprezenta, ca n figura 1.6, o schem a fluxurilorenergetice din instalaiile frigorifice i pompele de cldur.

Ca o aplicaie a celor prezentate anterior, se poate arta c vaporizarea se realizeaz nscopul prelurii de cldur de ctre agentul de lucru aflat iniial n stare lichidi la sfrit nstare de vapori, iar condensarea se realizeaz n scopul evacurii de cldur de ctre agentulde lucru aflat iniial n stare de vapori i la sfrit n stare lichid. Acest aspect este ilustrat in figura 1.7.

1.5 Prile componente ale instalaiilor frigorifice

S-a artat anterior c presiunea de condensare are o valoare mai ridicat dect cea devaporizare (pk>p0), deci n instalaiile de acest tip, se consum energie pentru creterea

presiunii vaporilor furnizai de vaporizator, unde s-au format prelund cldur de la sursa

rece, pn la presiunea din condensator, unde vor ceda cldur sursei calde.Acest proces se poate realiza ntr-o main denumitcompresor, avnd tocmai rolulde a comprima vapori sau gaze, bineneles cu ajutorul unui consum de energie mecanic.Exist i alte soluii tehnice pentru realizarea comprimrii vaporilor n instalaii frigorificesau pompe de cldur, utiliznd ns energie termic n locul celei mecanice.

Dac vaporizatorul i condensatorul sunt schimbtoare de cldur i prezint osuprafa de transfer termic pentru asigurarea interfeei dintre agentul frigorific i sursele decldur, compresorul este o main mai complex din punct de vedere constructiv, cu pistonn interiorul unui cilindru, cu urub, cu lamele culisante ntr-un rotor montat excentric fa destator, sau avnd alte construcii. n toate aceste situaii, comprimarea se realizeaz prinmicorarea volumului agentului de lucru antrenat. Existi turbocompresoare, acestea avnd

funcionarea bazat pe legile gazodinamicii. Puterea necesar din exterior, pentrudesfurarea procesului, numitputere de comprimare, se noteaz cu Pc[kW].

Dup comprimare, vaporii de agent frigorific cedeaz cldur n condensator, surseireci i aa cum s-a artat condenseaz, la valoarea pk a presiunii, deci la sfritul procesului

prsesc aparatul schimbtor de cldur n stare lichid. Condensul, pentru a reveni nvaporizator trebuie s-i micoreze presiunea pn la valoarea p0.

Din punct de vedere energetic, destinderea se realizeaz cel mai eficient ntr-o mainnumit detentor. Aceasta are avantajul c produce energie mecanic, respectiv putere,capabil s compenseze o parte din consumul necesar pentru antrenarea compresorului. Din

punct de vedere constructiv, detentorul este fie o main cu piston ntr-un cilindru, fie una detip rotativ, cu circulaia radial sau axial a agentului frigorific. Indiferent de construcie,

agentul de lucru cedeaz pistonului sau rotorului o parte din energia sa potenial de presiune

Fig. 1.7 Vaporizarea i condensarea


13/105


13

Fig. 1.8 Schema constructiva instalaiilor frigorificei pompelor de cldur

i astfel se destinde pn la presiunea de vaporizare. Puterea furnizat n timpul destinderii,numitputere de destindere, se noteaz cu Pd[kW].

Agentul frigorific la p0, n stare lichid, intr n vaporizator, unde absoarbe cldur dela sursa rece, vaporizeaz i apoi ptrunde n compresor, iar n continuare funcionareainstalaiei se realizeaz prin parcurgerea n continuare a celor patru aparate. Procesele de

lucru care se desfoar n acestea, respectiv vaporizare, comprimare, condensare idestindere, alctuiesc mpreun ciclul termodinamic inversat, dup care funcioneazinstalaiile frigorifice i pompele de cldur.

n consecin, instalaiile frigorifice i pompele de cldur au n componen cel puinpatru elemente componente: vaporizator (V), compresor (C), condensator (K) i detentor (D),iar cea mai simpl schem constructiv a instalaiilor de acest tip poate s fie reprezentat can figura 1.8.

De cele mai multe ori, sursa rece, sau mediul rcit de vaporizator, este reprezentat de

aerul din jurul acestui schimbtor de cldur, de ap, sau de alte lichide, denumite genericageni intermediari. Practic agentul frigorific vaporizeaz absorbind cldur de la acestesubstane.

Pentru condensator, sursa cald, sau mediul nclzit, este reprezentat de aerul dinmediul ambiant, de ap, sau simultan de ap i aer. Acestea, prin suprafaa de schimb decldur, preiau de la agentul frigorific toat cldura latent de condensare. n practic, demulte ori se spune c apa sau aerul sunt agenii de rcire ai condensatoarelor.

Att pentru vaporizator ct i pentru condensator, exist numeroase tipuri i varianteconstructive, care vor fi studiate ulterior.

Energia, sau puterea (P) necesar din exterior pentru funcionarea acestor instalaii,este reprezentat de diferena dintre puterea de comprimare (Pc) i puterea de destindere (Pd),deci:

]kW[PPP dc = (1.10)innd seama de relaia (1.10), ecuaia de bilan energetic (1.9) rmne valabil.


14/105

Mugur BLAN

14

Din punct de vedere al analizelor energetice, pentru a elimina dependena decantitatea de substan, respectiv de debitul masic al agentului de lucru din instalaie, vor ficonsiderate schimburile energetice specifice, adic raportate la un kilogram de substan.Acestea sunt:

- puterea frigorific specific:

[ ]100 kgkJmQq = && ; (1.11)- lucrul mecanic specific de comprimare:

1

cc kgkJmPl= & ; (1.12)

- sarcina termic specific a condensatorului:1

kk kgkJmQq= && ; (1.13)

- lucrul mecanic specific de destindere:[ ]1dd kgkJmPl = & . (1.14)

1.6 Comparaie ntre instalaiile frigorifice i pompele de cldur

Din punct de vedere principial, ciclul termodinamic inversat dup care funcioneazcele dou tipuri de instalaii, este identic. Ceea ce difer este numai nivelul de temperatur lacare se gsesc sursele de cldur, fa de temperatura mediului ambiant, notat cu ta [C],respectiv Ta [K].

Pentru a simplifica analiza comparativ a ciclurilor acestor instalaii, se consider cntre sursele de cldur i agentul frigorific, schimbul de cldur se desfoar n condiiiideale, adic la diferene infinit mici de temperatur. Acest tip de transfer termic presupune

suprafee infinit de mari pentru transmiterea cldurii i o durat infinit de mare, ceea ce nu sepoate ntlni n realitate. Din punct de vedere teoretic, aceste ipoteze au ns avantajul csimplific mult analiza ciclurilor termodinamice. n aceste condiii temperatura sursei reci

poate s fie considerat egal cu temperatura de vaporizare a agentului frigorific, iartemperatura sursei calde poate s fie considerat egal cu temperatura de condensare.

cT

K

D C

V

lld c

qv

qk

V

D

dl

K

C

qv

cl

kq

C

lc

K qk

D

ld

vV q

aT

Tr12 9

11 106

5

14

3 2

8

7

mediu racit

mediu incalzit

a) b) c)

Fig. 1.9 Scheme de instalaii funcionnd dup cicluritermodinamice inversate: a) Instalaie frigorific;

b) Instalaie de pomp de cldur; c) Instalaie combinat.


15/105


15

n figura 1.9, sunt prezentate trei scheme de instalaii funcionnd dup cicluritermodinamice inversate:

- Instalaiile frigorifice, au temperatura sursei reci tr[C] sau Tr[K], egal cutemperatura de vaporizare t0[C] sau T0[K], mai mic dect temperatura mediuluiambiant ta[C] sau Ta[K]. n aceast situaie particular, sursa rece mai este

denumit i mediu rcit. Rolul acestor instalaii este de a prelua cldur de lamediul rcit, n scopul rcirii sau meninerii unei temperaturi sczute a acestuia.Cldura absorbit Q0, sau puterea frigorific absorbit 0Q& , reprezint efectul util

al acestor instalaii. Sursa cald, n cazul instalaiilor frigorifice este reprezentatde mediul ambiant. Ciclul de lucru este reprezentat prin strile 1,2,3,4.

- Instalaiile de pomp de cldur, au temperatura sursei calde tc[C] sau Tc[K],egal cu temperatura de condensare tk[C] sau Tk[K], mai mare dect temperaturamediului ambiant ta[C] sau Ta[K]. n aceast situaie particular, sursa cald maieste denumit i mediu nclzit. Rolul acestor instalaii este de a ceda cldurmediului nclzit, n scopul nclzirii sau meninerii unei temperaturi ridicate a

acestuia. Cldura cedat Qk, numit uneori i cldur pompat, sau sarcina termica condensatorului kQ& , reprezint efectul util al acestor instalaii. Sursa rece, ncazul pompelor de cldur este reprezentat de mediul ambiant. Ciclul de lucrueste reprezentat prin strile 5,6,7,8.

- Instalaiile combinate, au temperatura sursei reci, egal cu temperatura devaporizare, mai mic dect temperatura mediului ambiant, iar temperatura surseicalde, egal cu temperatura de condensare, mai mare dect temperatura mediuluiambiant. Rolul acestor instalaii este de a absorbi cldur de la mediul rcit isimultan de a ceda cldur mediului nclzit. Aceste echipamente au un dubluefect util, reprezentat evident de sarcinile termice ale vaporizatorului 0Q& i

conden-satorului kQ&

. Ciclul de lucru este reprezentat prin strile 9,10,11,12.


16/105

Mugur BLAN

16

222 ... AAA GGG EEE NNN III FFF RRR III GGG OOO RRR III FFF III CCC III

2.1 Consideraii generaleAgenii termodinamici de lucru din instalaiile frigorifice i pompele de cldur,

preiau cldur prin vaporizare i cedeaz cldur prin condensare, la temperaturi sczute sauapropiate de ale mediului ambiant, deci trebuie s aib unele proprieti particulare, care ideosebesc de agenii termodinamici din alte tipuri de instalaii. Din acest motiv poart idenumirea de ageni frigorifici.

Proprietile agenilor frigorifici sunt impuse de schema i tipul instalaiei, precum i denivelurile de temperatur ale celor dou surse de cldur. Cteva dintre aceste proprieti sunturmtoarele:

- presiunea de vaporizare trebuie s fie apropiat de presiunea atmosferic i uor

superioar acesteia, pentru a nu apare vidul n instalaie;- presiunea de condensare trebuie s fie ct mai redus, pentru a nu apare pierderi deagent frigorific i pentru a se realiza consumuri energetice mici n procesele de comprimareimpuse de funcionarea acestor instalaii;

- cldura preluat de un kilogram de agent, prin vaporizare, trebuie s fie ct mai mare,pentru a se asigura debite masice reduse;

- cldura specific n stare lichid trebuie s fie ct mai mic, pentru a nu apare pierderimari prin ireversibiliti interne, n procesele de laminare adiabatic;

- volumul specific al vaporilortrebuie s fie ct mai redus, pentru a se obine dimensiunide gabarit reduse, ale compresoarelor;

- s nu prezinte pericol de inflamabilitate, exploziei toxicitate;

- s nu fie poluani (este cunoscut faptul c unii ageni frigorifici clasici i anume ctevatipuri de freoni, contribuie la distrugerea stratului de ozon al stratosferei terestre).

Pentru a nu se utiliza denumirile chimice complicate ale acestor substane, ageniifrigorifici au fost denumii freoni, sunt simbolizai prin majuscula R, (de la denumirea n limbaenglez - Refrigerant) i li s-a asociat un numr care depinde de compoziia chimic. Unii dintrecei mai utilizai ageni frigorifici sunt prezentai n tabelul 2.1, mpreun cu temperatura normalde vaporizare i indicele transformrii adiabatice.


17/105


17

Tabel 2.1 Principalii ageni frigorifici

DenumireaTemperatura normal de

vaporizare [C]

k

[]

Amoniac (R717)R12

R22Clorur de metilR502CO2

R134a

33,35 29,80

40,84 23,74 45,60 78,52 26,42

1,301,14

1,161,20-

1,301.14

Se observ c aceti ageni au proprietatea de a fierbe la temperaturi sczute, putnddeci s absoarb cldur la temperaturi mai mici dect ale mediului ambiant.

Istoricul fluidelor frigorifice ncepe n anul 1834, cnd americanul Jacob Perkinsbreveteaz o main frigorific funcionnd prin comprimare mecanic de vapori, utiliznd caagent frigorific oxidul de etil. Utilizarea unei asemenea maini s-a dovedit rapid limitat denivelul ridicat de inflamabilitate al acestui agent.

n 1876 Carl von Linde, datorit utilizrii amoniacului ca agent frigorific, permiteadevrata dezvoltare a instalaiilor frigorifice prin comprimare mecanic de vapori.n 1880, introducerea unui nou agent frigorific, anhidrida carbonic, reprezint

nceputul utilizrii instalaiilor frigorifice pentru mbarcarea la bordul navelor a produseloralimentare.

n 1920, prin utilizarea anhidridei sulfuroasei a clorurii de metil, apar primele mainifrigorifice de uz casnic sau comercial.

ncepnd din 1930, apar primele hidrocarburi fluorurate i clorurate (CFC). Datoritcaracteristicilor foarte interesante din punct de vedere termodinamic i datorit marii lorstabiliti att termice ct i chimice, utilizarea acestora va aduce o ameliorare considerabil atta fiabilitii ct i a siguranei n funcionare a instalaiilor frigorifice cu compresie mecanic.

Aa se explic de ce n comparaie cu amoniacul i clorura de metil, aceste substane poartdenumirea de ageni frigorifici de siguran.n numeroase ri, pe lng denumirea de freoni, agenii frigorifici pot fi ntlnii i sub

diverse denumiri comerciale, care pentru acelai produs difer de la ar la ar i de la unproductor la altul. R12 de exemplu, este numit Forane 12 (denumirea comercial a UzineiKuhlmann din Frana), Flugene 12 (denumirea comercial a firmei Pechine Saint-Gobain dinFrana), sau Genetron 12 (denumirea comercial a societii Allied Chemical din S.U.A.). nunele publicaii tiinifice, chiari denumirea de freoni, pentru desemnarea agenilor frigorifici,este considerat comercial.

2.2 Tipuri de ageni frigorifici

La ora actual numrul foarte mare de ageni frigorifici este datorat i problemei attde mediatizate i discutate n ultimii ani, a polurii produse de aceti freoni. De fapt estevorba de un proces care se produce n stratosfera terestr i care va fi prezentat multsimplificat n continuare.

Sub aciunea razelor ultraviolete provenite de la soare, din moleculele freonilor seelibereaz Cl (clor monoatomic). Acesta reacioneaz chimic cu ozonul (O3) care se gseten stratosferi rezult oxigen biatomic O2i oxizi de clor. n acest mod, se distruge treptatstratul de ozon al planetei, avnd un binecunoscut rol protector prin filtrarea radia iilorultraviolete, nocive pentru sntatea uman. Problema este cu att mai grav cu ct oxizii declor rezultai din reacia descris, nu sunt stabili i se descompun, elibernd din nou Cl. Se

produc astfel reacii n lan, prin care un singur atom de Cl poate s distrug un numrimpresionant de molecule de O3. Aa se explic apariia, deocamdat deasupra celor doi poli


18/105

Mugur BLAN

18

ai planetei a aa numitelor guri n statul de ozon. Fenomenul a fost posibil cu att mai multcu ct nu numai freonii, prin atomii de Cl, ci i alte substane chimice, n primul rnd CO2, auefecte asemntoare.

n prezent exist n ntreaga lume, numeroase instalaii de puteri frigorifice mici imijlocii ncrcate cu ageni frigorifici poluani (n sensul pericolului pentru stratul de ozon), care

pun n continuare probleme legate de posibila lor "scpare" n atmosfer. Totodat se puneproblema gsirii unor ageni de substituie care s fie utilizai n instalaiile frigorifice noi.

Agenii frigorifici pot fi mprii n trei mari categorii:- CFC (clorofluorocarburi), freonii clasici, care conin Cl foarte instabil n molecul;- HCFC (hidroclorofluorocarburi), freoni denumii de tranziie, care conin n

moleculi hidrogen, iar Cl este mult mai stabil i nu se descompune att de uorsub aciunea radiaiilor ultraviolete;

- HFC (hidrofluorocarburi), considerai freoni de substituie definitiv, care nu coninde loc n molecul atomi de Cl.

n afara celor trei categorii de ageni frigorifici menionate, exist i ageni frigorificinaturali, ntre care amoniacul (NH3), simbolizat i prin R117, este cel mai important i cel maiutilizat, datorit proprietilor sale termodinamice care l fac cel mai performant agent frigorific

din punct de vedere al transferului termic.Ca urmare a dovedirii tiinifice a efectelor nocive asupra stratului de ozon, produse de

freoni, comunitatea internaional a luat numeroase msuri de reducere pn la zero a utilizriiacestora. De exemplu, n SUA, au fost interzise spray-urile de orice tip, care utilizeaz ca agent

propulsor CFC-urile.n 1987,Protocolul de la Montreal, revizuit n iunie 1990, deReuniunea de la Londra, a

ngheat pentru civa ani utilizarea CFC-urilor nainte de interdicia definitiv a acestora.Ulterior, n 1992,Reuniunea sub egida ONU, desfurat la Copenhaga, ntrzierile programatela Londra, privind utilizarea CFC, au fost reduse. Reglementrile internaionale pentru CFC iHCFC, stipuleaz n prezent urmtoarele:

Fig. 2.2 Cele trei tipuri de freoni

Fig. 2.3 Cteva exemplede freoni uzuali

Fig. 2.4 Amoniacul agentfrigorific natural


19/105


19

Pentru CFC:- oprirea produciei ncepnd din 31.12.1994;- interzicerea comercializrii i utilizrii, ncepnd din 1.01.1999, cu o derogare pentru

meninerea n funciune a instalaiilor existente, pn n 31.12.1999.Pentru HCFC:

- producia este autorizat pn n 31.12.2014;- utilizarea n echipamente noi este interzis din 1.01.1996 n frigidere, congelatoare,

aparate de condiionarea aerului de pe automobile particulare, transport public irutieri din 1.01.1998 pe trenuri;

- utilizarea este interzis din 1.01.2000 n echipamente noi ale antrepozitelorfrigorifice i ncepnd din 1.01.2001 n toate echipamentele frigorifice i declimatizare (cu unele excepii);

- utilizarea va fi interzis i pentru meninerea n funciune a instalaiilor existente,ncepnd din 1.01.2008.

Agenii utilizai n instalaiile frigorifice, permit obinerea unei plaje foarte largi detemperaturi, de la 20C pn la 100C, sau chiar mai sczute n anumite cazuri particulare.

Evident, aceste temperaturi nu pot s fie realizate cu un acelai agent frigorific, pentru fiecaredomeniu de temperaturi existnd anumii ageni frigorifici specifici recomandai.

Tabel 2.2 Domenii de utilizare a agenilor frigorifici

UtilizareAgent

frigorific

Ageni detranziie

Ageni consideraidefinitivi

Aparate casnice R12 R401A (MP39)R409A (FX56)

R134aR290 (Propan)R600a (Izobutan)

Rcitoare de ap R11R12R114

R22R117 (NH3)

R123

R142b

R22

R134a

R404AR117 (NH3)

Frig comercial(temperaturi

pozitive)

R12 R401A (MP39)R409A (FX56)R22

R134a

R404AR507AR413A

Frig comercial(temperaturinegative)

R502 R402A (HP80)R408A (FX10)R403BR22

R404AR125

AZ50 R407BFrig industrial R717 (NH3)

R22R22 R717 (NH3)

R404AFrig adnc R13B1

R13R503

ES20R23R32

Climatizare R22R500 R409B (FX57)

R401B HP66)

R124aR407CKlea 66

Aer condiionatauto

R12R500

R401C (MP52)R409B (FX57)R401B (HP66)

R134a

Cele mai importante domenii de utilizare a freonilor i agenii de substituie pentrufreonii clasici, sunt prezentate n tabelul 2.2.


20/105

Mugur BLAN

20

333 ... DDD III AAA GGG RRR AAA MMM EEE TTT EEE RRR MMM OOO DDD III NNN AAA MMM III CCC EEE AAA LLL EEEAAA GGG EEE NNN III LLL OOO RRR FFF RRR III GGG OOO RRR III FFF III CCC III

3.1 Noiuni introductive

Mrimile termodinamice de stare ale vaporilor pot s fie determinate utiliznd relaiide calcul pentru aceste mrimi, prezentate n cursurile de termotehnic, sau utiliznd ecuaiilede stare ale gazelor reale. n practic, pentru marea majoritate a agenilor termodinamiciutilizai n tehnic, inclusiv pentru agenii frigorifici, valorile parametrilor i ale mrimilortermodinamice de stare, au fost calculate n diferite condiii de presiune i temperatur, fiind

prezentate n tabele termodinamice. Asemenea tabele exist att pentru strile de saturaie, cti pentru cele de vapori supranclzii, fiind mult mai uor de utilizat dect relaiile de calculmenionate. Utiliznd aceste tabele, pentru aflarea valorilor parametrilor de stare suntnecesare numai operaii simple de interpolare, sau calcule aritmetice simple.

O alt metod rapid pentru estimarea mrimilor de stare ale vaporilor, este utilizarea

diagramelor termodinamice, care permit determinarea acestor mrimi pe cale grafici n plusau avantajul c permit reprezentarea i studierea ciclurilor termodinamice ale mainilor,instalaiilori echipamentelor termice, care funcioneaz cu vapori, deci inclusiv a instalaiilorfrigorifice. Bineneles c aceste diagrame au fost trasate utiliznd relaiile pentru calcululmrimilor de stare ale vaporilor, menionate anterior, existnd asemenea diagrame pentru o marediversitate de ageni termodinamici.

Pentru agenii frigorifici, cele mai utilizate diagrame termodinamice sunt T-s, h-s i nspecial lgp-h.


21/105


21

3.2 Diagrama T-s a vaporilor

n figura 3.1 este reprezentat diagrama T-s a vaporilor, avnd avantajul c permiteevaluarea cantitii de cldur schimbate n transformrile termodinamice, prin planimetrarea

ariilor de sub curbele transformrilor termodinamice.Pentru toate substanele, alura curbei de lichid saturat, este asemntoare cu cea

prezentat n figur, dar curba de vapori saturai uscai se obine adugnd de la curba lichiduluisaturat, segmente orizontale de lungime rv/Ts, unde rv este cldura latent de vaporizare, caredepinde de natura substanei, iar Ts este tempe-ratura de saturaie, deci alura curbei limitsuperioar difer de la o substan la alta. Pentru unele substane, cum este apa, alura este cea

prezentat n figur, iar pentru altele, cum sunt de exemplu unele hidrocarburi, concavitatea

poate s fie chiar i n jos, deci curbele limit nu sunt pentru orice substane simetrice, ca ncazul apei.n domeniul de vapori umezi, sunt reprezentate curbele de titlu constant. Izotermele sunt

drepte orizontale pe tot cmpul diagramei, iar izentropele, deci adiabatele reversibile sunt drepteverticale.

Forma izobarelor este cea justificat prin variaia entropiei n procesele izobare:- n domeniul lichiddin punct de vedere matematic se poate calcula variaia elementar aentropiei ds = dq/T = cpldT/T, unde dq este cldura specific elementarcorespunztoare, T este temperatura la care se desfoar procesul elementar considerat,iar cpl este cldura specific medie la presiune constant a lichidului. Variaia finit aentropiei este s=cplln(Ts/T0) unde Ts este temperatura de saturaie, iar T0 temperatura

considerat de referin, creia i corespunde valoarea de referin s0 originea pentruentropie. Pentru dependena entropiei de temperatur, se obine o relaie de forma s =cpllnT + C, unde C este o constant de integrare. Se constat c n coordonate T-s, aluracurbelor izobare este logaritmic n acest domeniu.- n domeniul vaporilor umezi, ntre strile de lichid saturat i vapori saturai uscai,izobarele sunt orizontale, pentru c sunt i izoterme.- n domeniul vaporilor supranclzii, variaia entropiei ntr-un proces elementar este ds= dq/T = cpvdT/T, unde cpv este cldura specific medie la presiune constant a vaporilor.Analog ca n domeniul de lichid, pentru variaia cu temperatura a entropiei n proceseleizobare se obine s=cpvlnT+C, unde C este o constant de integrare. Din nou se observc alura izobarelori n acest domeniu este logaritmic.

Fig. 3.1 Diagrama T-s a vaporilor


22/105

Mugur BLAN

22

Se observ pe figura 3.1 c n domeniul vaporilor umezi, unde izobarele sunt drepteorizontale, fiind i izoterme, izocorele sunt curbe avnd concavitatea n jos. Pe diagram maisunt reprezentate curbele de entalpie constant, care corespund proceselor de laminareadiabatic.

3.3 Diagrama h-s a vaporilorAceast diagram a fost propus pentru ap, n anul 1904, de Molier, iar n prezent

este cea mai utilizat diagram termodinamic a apei, deoarece permite determinarea rapid aschimburilor de energie sub form de lucru mecanic i cldur, n toate proceseletermodinamice. Schimburile energetice specifice, sunt reprezentate sub forma unor segmenteverticale, pentru c axa ordonatelor este reprezentat de entalpia specific. Mai rar utilizat ninstalaiile frigorifice, aceast diagram poate fi totui folosit i pentru reprezentarea

proceselor de lucru care compun ciclurile termodinamice inversate.n figura 3.2 este prezentat aceast diagram, cu meniunea c de exemplu n cazul apei,

este utilizat doar poriunea din dreapta punctului critic K, pentru a fi reprezentat mai detaliat n

principal domeniul vaporilor supranclzii i al vaporilor umezi avnd titlul mare, domenii ncare se desfoar cele mai importante procese de lucru din echipamentele energeticefuncionnd cu abur, n special din turbine.

Se observ c n aceast diagram, punctul critic nu mai este punctul de maxim alcurbelor limit, ci un punct de inflexiune i cel puin pentru ap, curba lichidului saturat pornetedin origine.

n domeniul de vapori umezi, este prezentat alura curbelor de titlu constant. Pentruizobare, n domeniul de vapori umezi, alura este cea a unor drepte convergente n origine, avnd

panta cu att mai mare cu ct valoarea presiunii este mai ridicat.Panta izobarelor n coordonate h-s se poate calcula din ecuaia general a termodinamicii

scris sub forma: dh = Tds + vdp, unde dp=0, deci se obine: (tg)p = (dh/ds)p = T. Astfel seexplic uor de ce izobarele sunt drepte, n domeniul de vapori umezi, pentru c fiind iizoterme, panta are valoare constant, cu att mai mare cu ct presiunea, deci i temperatura desaturaie este mai ridicat.

n domeniul de vapori supranclzii, izobarele continu sub forma unor curbeexponeniale. Izocorele au i n domeniul vaporilor umezi i n cel al vaporilor supranclzii,

panta mai mare dect a izobarelor, iar alura este a unor curbe exponeniale.Se observ de asemenea c izotermele, n domeniul vaporilor supranclzii, unde nu mai

coincid cu izobarele, sunt curbe avnd concavitatea n jos, care tind asimptotic la drepteorizontale.

Fig. 3.2 Diagrama h-s a vaporilor


23/105


23

3.4 Diagrama lgp-h a vaporilor

Diagrama logaritm din presiune entalpie (lgp-h) este utilizat n special n tehnicafrigului, existnd asemenea diagrame pentru toi agenii frigorifici i pentru marea majoritatea hidrocarburilor.

O particularitate ntlnit numai la aceast diagram, o reprezint scara logaritmic apresiunilor, ceea ce permite reprezentarea unui domeniu foarte larg de presiuni, cu meninerearelativ constant a preciziei de citire a presiunilor.

Se observ c la aceast diagram, ca i la diagrama T-s, punctul critic este punct demaxim. n figura 3.3 este reprezentat alura izotermelor pe tot cmpul diagramei, la fel ca iforma curbelor izentrope (s = constant), foarte utile, mai ales n domeniul vaporilor

supranclzii, unde se desfoar procesele de comprimare, teoretic adiabatice, din ciclurilemainilor frigorifice. n domeniul vaporilor supranclzii au fost reprezentate i curbele izocore,iar n cel al vaporilor umezi, cele de titlu constant.

n figura 3.4. este reprezentat la scar diagrama lgp-h a vaporilor de R12.

Fig. 3.4 Diagrama lgp-h a vaporilor de R12

Fig. 3.3 Diagrama lgp-h a vaporilor


24/105

Mugur BLAN

24

444 ... CCC III CCC LLL UUU RRR III TTT EEE RRR MMM OOO DDD III NNN AAA MMM III CCC EEE III NNN VVV EEE RRR SSS AAA TTT EEERRR EEE VVV EEE RRR SSS III BBB III LLL EEE

4.1 Ciclul Carnot inversat reversibil

Transportul cldurii de la sursa rece la sursa cald, se realizeaz cu consumul minimposibil de energie, printr-un ciclu Carnot inversat reversibil, care se va realiza n domeniul devapori umezi, aa cum se observ n figura 4.1.

Procesul de lucru se desfoar ntre temperatura de vaporizare Tv, teoretic egal cutemperatura sursei reci, temperatura de condensare Tk, teoretic egal cu temperatura sursei caldei cele dou adiabate reversibile (s = constant); de comprimare, respectiv de destindere, sensulde parcurgere a ciclului fiind antiorar. Agentul de lucru preia cldur n vaporizatorul instalaiei

prin procesul izobar-izoterm 4-1. Vaporii obinui sunt comprimai adiabatic reversibil decompresor, prin procesul 1-2. Dup ce este refulat de compresor, agentul de lucru ajunge ncondensator, unde cedeaz cldur n procesul de asemenea izobar-izoterm 2-3. Lichidul rezultat

se destinde n detentor, procesul de lucru 3-4 din acest aparat fiind tot adiabatic reversibil i ncontinuare ciclul se repet.

T

s

k

lcalda

qk

qv

lc

3 2

14

Tk

Tv

s = s3 4 1

s = s2

x=0

x

=1

Fig. 4.1 Ciclul Carnot inversat reversibil,n domeniul de vapori umezi


25/105


25

Pentru un kilogram de agent frigorific pot s fie calculate valorile absolute aleschimburilor energetice specifice, corespunztoare fiecrei transformri componente n parte:

- cldura preluat de la sursa rece prin vaporizare la temperatura constant Tv ipresiunea constant pv este:

( ) ;kgkJs-sT=h-h=q-1

41v41v(4.1)

- cldura cedat sursei calde prin condensare la tempera-tura constant Tkipresiunea constant pkeste n valoare absolut:

( ) [ ].kgkJs-sT=h-h=q -132k32k (4.2)- lucrul mecanic de comprimare, consumat adiabatic de compresor, n valoare

absolut, este:

.kgkJh-h=l-1

12ca (4.3)

- lucrul mecanic de destindere, furnizat adiabatic de detentor este:

.kgkJh-h=l-1

43da (4.4)- lucrul mecanic totalconsumat de ciclul Carnot inversat, n valoare absolut este:

( )( ) .kgkJs-sT-T=q-q=l-l=l -141vkvkdacac (4.5)n continuare vor fi analizate particularitile care difereniaz ciclul frigorific de cel al

pompelor de cldur.a) Ciclul frigorific este caracterizat prin faptul c temperatura de vaporizare Tv este egal

cu temperatura mediului rcit Tr, notat uneori i cu T0, astfel c Tv = Tr= T0. Temperatura decondensare Tkeste egal cu temperatura mediului ambiant Ta, deci Tk= Ta.

( ) .kgkJs-sT=h-h=q=q-1

410410v (4.6)

Cldura absorbit de un kilogram de agent frigorific, de la sursa rece, este denumitputere frigorific specific:

Eficiena frigorific a ciclului frigorific este:

( )( )( )

.

1-T

T

1=

T-T

T=

s-sT-T

s-sT=

l

q=

0

a0a

0

410a

410

c

0f (4.7)

Lucrul mecanic minim necesar funcionrii unui ciclu frigorific, este cel consumat ntr-un ciclu Carnot reversibil inversat, cel mai eficient din punct de vedere al consumului de lucrumecanic, iar mrimea acestuia se poate calcula cu relaia:

.1-T

Tq=

q=l

0

a

0f

0c

(4.8)

Din analiza relaiilor (4.7) i (4.8) se observ c la aceeai temperatur Ta a mediului

ambiant (sursa cald), cu ct scade temperatura Tra mediului rcit, cu att crete lucrul mecaniclc necesar ciclului Carnot inversat i scade eficiena a ciclului, deci aparent un ciclu frigorificeste cu att mai eficient cu ct temperatura mediului rcit este mai apropiat de temperaturamediului ambiant, dar trebuie menionat c eficiena frigorific, aa cum a fost definit nu ineseama de calitatea frigului produs adic de temperatura la care se absoarbe cldura.

b) Pompa de cldur este caracterizat prin faptul c temperatura de vaporizare Tv esteegal cu temperatura mediului ambiant Ta (Tv = Ta), iar temperatura de condensare Tkeste egalcu temperatura mediului nclzit Tc (Tk= Tc).

Cldura cedat de un kilogram de agent frigorific sursei calde, efectul util al pompei decldur este:

( ) .kgkJs-sT=h-h=q-1

32c32k(4.9)


26/105

Mugur BLAN

26

Eficiena pompei de cldur este:

( )( )( )

.

T

T-1

1=

T-T

T=

s-sT-T

s-sT=

l

q=

c

aac

c

32ac

32c

c

k

p (4.10)

Aceast mrime este inversul randamentului termic al ciclului Carnot direct reversibil,evolund ntre aceleai limite de temperatur, ceea ce arat nc o dat c ciclul Carnot inversatasigur consumul minim de lucru mecanic, iar acesta se poate calcula cu relaia:

.T

T-1q=

q=l

c

a

kp

kc

(4.11)

Se observ c dac temperatura Ta a mediului ambiant rmne constant, la cretereatemperaturii mediului nclzit crete lucrul mecanic consumat, dar n acelai timp trebuieremarcat c se mbuntete i calitatea cldurii furnizate de pompa de cldur.

c) Ciclul combinateste caracterizat de faptul c temperatura de vaporizare Tv este egalcu temperatura mediului rcit Tr = T0, deci se poate scrie Tv = Tr = T0, iar temperatura de

condensare Tkeste egal cu temperatura mediului nclzit Tc, deci Tk= Tc.Acest ciclu are dou efecte utile, reprezentate prin cele dou clduri schimbate cu surselede cldur, deci eficiena ciclului combinateste definit prin suma cldurii preluate de la sursarece i a cldurii cedate sursei calde, raportat la lucrul mecanic necesar funcionrii ciclului.

.l

qq

c

c0 += (4.12)

Ciclul combinat este mai eficient dect ciclul frigorific i al pompei de cldur consideratempreun, pentru c se exclud cele dou procese de condensare, respectiv de vaporizare, latemperatura mediului ambiant Ta. Cu ct crete diferena dintre temperaturile celor dou surse decldur, cu att crete i lucrul mecanic necesar funcionrii acestui ciclu.

4.2 Cicluri inversate reversibile cu temperaturi variabile ale surselor decldur

Procesele reale de nclzire i rcire se desfoar la temperaturi variabile alemediului nclzit, respectiv rcit, temperaturi care se modific n timp. n figura 4.2 este

prezentat un ciclu frigorific n care sursa rece sufer o transformare de rcire reversibil m-n.Temperatura sursei reci scade de la valoarea iniial Tm pn la valoarea final Tn. Se

consider c sursa cald are temperatura constanti egal cu a mediului ambiant Ta.


27/105


27

De la sursa rece, un kilogram de agent trebuie s preia cldura:

,kgkJsT=dsT=q=q-1

rrmrin

m0

n

m0 (4.13)

unde Tri este temperatura instantanee a sursei reci, la un moment dat n procesul de rcire m-n,Trm este temperatura medie termodinamic a sursei reci n cursul procesului de rcire m-n, iarsreste variaia entropiei sursei reci.

n timp ce preia cldura de la sursa rece, agentul frigorific trebuie s parcurg, n cazulideal, aceeai transformare reversibil, n sens invers (n-m), pentru a nu apare pierderi datorateschimbului de cldur la diferen finit de temperatur. Celelalte transformri reversibile ale

acestui ciclu ideal, trebuie s fie o izoterm la nivelul de temperatur al sursei calde Tai douadiabate. Se obine n aceste condiii ciclul ideal reversibil 1-2-3-4.Lucrul mecanic pe care l consum acest ciclu este:

( )

,12341aria=23pq2aria=l

kgkJsT-T=sT-sT=q-q=l

i

-1rrmarrmra0ki

(4.14)

unde Trm este temperatura medie a sursei reci.Eficiena frigorific a acestui ciclu ideal este:

.T-T

T=

l

q=

rma

rm

i

0fi (4.15)

Lucrul mecanic li este minim, iar eficiena frigorificfi este maxim fa de orice altciclu care ar trebui s realizeze aceeai putere frigorific q0, deoarece pentru orice alt ciclu araprea pierderi datorate ireversibilitilor externe provocate de schimbul de cldur la diferenefinite de temperatur, sau chiar i ireversibiliti interne datorate imperfeciunilor altortransformri. Chiari un ciclu Carnot inversat ar fi mai neavantajos n aceast situaie, deoarece

pentru a se realiza rcirea sursei reci pn n starea n, temperatura agentului care ar evolua nacel ciclu Carnot, nu ar putea s fie dect cel mult egal cu Tn, n nici un caz mai ridicat.Analiznd acest caz limit, T0=Tn, cel mai favorabil din punct de vedere al ciclului Carnot, seconstat c apar pierderi datorate ireversibilitilor externe din procesul de transfer termic ladiferen finit de temperatur ntre sursa rece i agentul frigorific. n consecin, deoarecetemperatura agentului frigorific este mai redus dect la ciclul ideal cu temperatur variabil asursei reci, pentru a putea s preia aceeai putere frigorific specific q0, ciclului Carnot i va

T

ssr

oT

Ta

m

2 2'

1'

3

p

4n

TriTr

qo

dss

sc

q

1

m

Fig. 4.2 Ciclu inversat cu temperatur

variabil a sursei reci


28/105

Mugur BLAN

28

corespunde o variaie mai mare de entropie a agentului frigorific, sc. Comparnd cele dourelaii de calcul pentru puterea frigorific, corespunztoare celor dou cicluri se poate scrie:

.sT=sT=q rrmc00 (4.16)

Deoarece T0sr, deci sc=sr+s, unde s corespunde

diferenei dintre variaiile entropiei agentului de lucru corespunztoare proceselor de preluare acldurii de la sursa rece, n cele dou cicluri. n aceste condiii, ciclul Carnot inversat care srealizeze aceeai putere frigorific q0 este ciclul 1'-2'-3-4, ntre dou izoterme i dou adiabate.

Cldura cedat mediului ambiant de ciclul Carnot inversat este:.sT=q cak (4.17)

Lucrul mecanic pe care l consum ciclul Carnot inversat este:( ) .34121aria=sT-T=q-q=l c0a0kc (4.18)

Comparnd lucrurile mecanice ale celor dou cicluri, avnd n vedere c (Ta-Trm) < (Ta-T0) i sr=

T-T

T=

l

q

0a

0

c

0ffi

rma

rm

i

0 (4.19)

Se poate chiar calcula diferena dintre lucrurile mecanice necesare realizrii celor doucicluri:

( )( ) ( ) ,sT=sT-T-s+sT-T=l-l=l arrmar0aic (4.20)

deoarece T0(sr+s) = Trmsr, din condiia ca puterile frigorifice ale celor dou cicluri s fieegale.

s reprezint tocmai variaia entropiei agentului de lucru datorit ireversibilitilorexterne care nsoesc transferul termic la diferene finite de temperatur, cu sursa rece. Dac T0

ar fi mai mic dect Tn, atunci pentru realizarea aceleiai puteri frigorifice q0 ntr-un ciclu Carnotinversat, s ar crete i mai mult pentru c ar crete i diferenele de temperatur ntre agentul

T

Tcm

s

qo

ds

f6

5

7'

e7

8 8'

s scks

Tci

Ta

Fig. 4.3 Ciclu inversat cu temperaturavariabil a sursei calde


29/105


29

frigorific i sursa rece, deci lucrul mecanic necesar ar fi i mai mare. Cu att mai mult, orice altciclu termodinamic inversat, ar necesita un consum i mai mare de lucru mecanic, ceea censeamn c ciclul ideal prezentat este cel mai potrivit pentru realizarea unui proces de rcire asursei reci.

n figura 4.3 este prezentat un ciclu inversat cu temperatura variabil a sursei calde.

Acesta corespunde unei instalaii de pomp de cldur, care realizeaz nclzirea surseicalde, dup transformarea reversibil e-f, n timp ce agentul frigorific cedeaz cldur i

parcurge aceeai transformare n sens invers f-e.Singurul ciclu care poate s fie realizat fr pierderi prin ireversibiliti datorate

schimbului de cldur la diferene finite de temperatur este ciclul 5-6-7-8.Un kilogram de agent frigorific cedeaz sursei calde cldura:

,sT=dsT=q=q kcmcif

ek

f

ek (4.21)

unde Tcm este temperatura medie termodinamic a sursei calde n timpul nclzirii.Pentru a nclzi sursa cald cednd aceeai cldur qk, un ciclu Carnot inversat, trebuie

s aib temperatura agentului Tkcel puin egal cu Tftemperatura cea mai ridicat a sursei calde,

deci (TkTf). Analiznd situaia limit, cnd cele dou temperaturi sunt egale, cldura cedat decele dou cicluri, se poate scrie sub forma:( ),s-sT=sT=q=sT=q kcckkkcmk (4.22)

unde s este diferena dintre variaiile de entropie n transformrile de cedare a cldurii,corespunztoare celor dou cicluri. n aceste condiii ciclul Carnot inversat poate s fiereprezentat prin 5-6-7'-8'.

Pentru cele dou cicluri, se pot calcula cldurile corespunztoare preluate de la sursa rece(mediul ambiant) prin vaporizare:

sT=q;sT=q cavkav (4.23)

Este evident c ciclul Carnot absoarbe mai puin cldur de la sursa rece.

Lucrurile mecanice corespunztoare celor dou cicluri sunt:.q-q=l;q-q=l vkcvki (4.24)

Se observ c l li c< , deoarece qv>q'v.

Consumul suplimentar de lucru mecanic datorat ireversibilitilor transformrii 6-7' este:( ) .sT=s-sT=q-q=l-l=l ackavvic (4.25)

Ca i la ciclul analizat anterior, se observ c cel mai economic din punct de vedere alconsumului de lucru mecanic este ciclul ideal cu temperatur variabil n procesul de cedare acldurii, deoarece n cazul ciclului Carnot inversat apar pierderi datorate ireversibilitilor denatur extern, care sunt echivalente consumului suplimentar de lucru mecanic l. Orice alt

ciclu va consuma i mai mult lucru mecanic dect ciclul Carnot inversat prezentat.


30/105

Mugur BLAN

30

555 ... MMM AAA III NNN III FFF RRR III GGG OOO RRR III FFF III CCC EEE NNN TTT RRR --- OOO TTT RRR EEE AAA PPP TTT DDD EEE CCC OOO MMM PPP RRR III MMM AAA RRR EEE

Datorit faptului c prin vaporizare i condensare agenii frigorifici pot s preia,respectiv s cedeze mai mult cldur dect prin nclzire, respectiv rcire, ceea ce asigurdebite mai mici de agent frigorific, practic cele mai multe maini i instalaii frigorificefuncioneaz cu vapori, iar comprimarea se realizeaz cu ajutorul unor compresoare mecanice.Exist nsi metode de producere a frigului prin comprimare termic, utiliznd ejecia, sau princomprimare termochimic, utiliznd absorbia. n continuare vor fi studiate cteva dintre celemai simple cicluri frigorifice cu comprimare mecanic de vapori

5.1 Ciclul ideal

Ciclul ideal al unei instalaii frigorifice cu comprimare mecanic de vapori, este ciclulCarnot inversat care se desfoar n domeniul de vapori umezi.

n figura 5.1 este prezentat o schem de principiu a unei maini frigorifice funcionnddup ciclul ideal, iar n figura 5.2 este prezentat ciclul de lucru n dou diagrame termodinamice,dintre care diagrama lgp-h este cea mai utilizat pentru studiul ciclurilor frigorifice, deoarecetoate schimburile energetice sunt reprezentate sub forma unor segmente n aceast diagram.

Compresorul C, realizeaz comprimarea izentropic 1-2, cu consumul de lucru mecanicspecific lc. n condensatorul K, se realizeaz condensarea izobar-izoterm 2-3, prin cedareacldurii latente de condensare qk. Detentorul D, realizeaz destinderea izentropic 3-4, furnizndlucrul mecanic specific ld. n vaporizatorul V, se realizeaz efectul util al instalaiei i anume se

preia puterea frigorific specific q0, prin vaporizare n condiii izobar-izoterme.

4ld

V

D

3

K

l1

vq

C

2

qk

c

Fig. 5.1 Maina frigorific funcionnd dupciclul ideal


31/105


31

a

4

sb

1

T K

l

3 2

s

lg

h

K

1

23

4

dl qk

qo cl

kT =Ta

T rT=o

p

Schimburile energetice specifice pot fi calculate prin relaiile:

h-h=l;h-h=l

;sT=h-h=q;sT=h-h=q

43d32c

k32k0410

(5.1)

Lucrul mecanic total consumat pentru funcionarea ciclului este:( ) .sT-T=q-q=l-l=l 0k0kdc (5.2)

Se poate calcula i eficiena frigorific a acestui ciclu, aa cum a fost ea definit anterior:

( ).

T-T

T=

sT-T

sT=

l

q=

0k

0

0k

00fi

(5.3)

Se observ c eficiena frigorific depinde numai de T0i Tk, fiind cu att mai mare cuct diferena Tk-T0 este mai mic.

5.2 Ciclul teoretic n domeniul de vapori umezi

Detentorul n care se realizeaz destinderea adiabatic a ciclului ideal, este o mainfoarte complex din punct de vedere constructiv, indiferent dac are cilindri n care pistoanelesub aciunea agentului de lucru furnizeaz energie mecanic sistemului biel-manivel, saudac este o turbomain cu palete montate n rotor. n plus, fa de acest dezavantaj, lucrulmecanic obinut n detentor are o valoare destul de sczut, deoarece titlul vaporilor care sedestind, este foarte redus, deci predomin lichidul, iar acesta fiind incompresibil, furnizeaz

puin energie mecanic prin destindere. n consecin, deoarece complexitatea constructiv adetentorului nu este justificat de lucrul mecanic obinut, redus ca valoare, acest aparat a fostnlocuit de un dispozitiv mult mai simplu din punct de vedere constructiv, denumit ventil delaminare, sau ventil de reglaj. n acest aparat, asemntor cu un robinet, sau cu o diafragm,care prezint o seciune de curgere ngustat, reglabil sau nu, are loc un proces de laminareadiabatic. Presiunea scade de la presiunea de condensare pk, n amonte de ventilul delaminare, pn la presiunea de vaporizare p0, n aval de acest aparat. Procesul este adiabatic,deci se desfoar fr schimb de cldur cu mediul ambiant i deoarece nici nu se producinteraciuni cu exteriorul sub form de lucru mecanic tehnic, este evident c laminarea sedesfoar cu meninerea constant a entalpiei. Inversibilitile interne ale procesului: frecri,turbionri, omogenizri i altele, fac s creasc entropia agentului de lucru, n procesele delaminare adiabatic. Creterea entropiei poate fi explicati prin faptul c lucrul mecanic de

destindere se transform prin frecare n cldur, iar aceasta va fi nglobat de agentulfrigorific, deci entropia crete.

Fig. 5.2 Ciclul frigorific ideal:a) diagrama T-s; b) diagrama lgp-h


32/105

Mugur BLAN

32

n unele maini frigorifice, n special cele de puteri frigorifice reduse, destinderea serealizeaz ntr-un dispozitiv chiar mai simplu i anume un tub capilar lung i de seciune redus.Aici scderea presiunii se realizeaz tot datorit particularitii curgerii. Aceasta este foartecomplexi de regul se studiaz experimental, modelarea matematic fiind dificil. Din punctde vedere termodinamic, transformarea din tubul capilar este considerat tot o laminare

adiabatic.Uneori n practica exploatrii instalaiilor frigorifice, pentru ventilul de laminare, sau

tubul capilar se utilizeaz n mod abuziv i incorect tot denumirea de detentor, impus de firmeleproductoare, care le numesc astfel.

n figura 5.3 este prezentat schema instalaiei frigorifice funcionnd dup ciclulteoretic, n domeniul de vapori umezi, iar n figura 5.4 este redat n diagramele T-s i lgp-h,ciclul teoretic n domeniul de vapori umezi.

Voq

l

C

qK k

Vl

Se observ c la sfritul laminrii adiabatice (transformarea 3-4), entalpia este mai maredect la sfritul destinderii izentropice 3-4, ceea ce duce la micorarea puterii frigorificespecifice q0, cu q0, conform figurii 5.4. Se poate scrie:

( ) ( )s-sT=h-h=q;s-sT=h-h=q 440440410410 (5.4)Celelalte schimburi energetice specifice sunt:

( )( ) ( )s-sT-s-sT=q-q=l

;s-sT=h-h=q

41032k0k

32k32k (5.5)

n diagrama T-s, lucrul mecanic, se poate reprezenta grafic prin diferena dintre ariilecorespunztoare celor dou clduri:

.b,4,a,1,2,3,aria=c,1b,aria1,4,-c,2a,aria2,3,=l (5.6)

Conform teoremei Guy-Stodola, pierderile datorate ireversibilitilor interne aleprocesului de laminare adiabatic sunt:

( ) .3b,a,,3,3aria=s-sT=sT= 43a4-3airl (5.7)

Fig. 5.3 Maina frigorific funcionnd dupciclul teoretic n domeniul de vapori umezi

1

23

4


33/105


33

2

q

ca

4 1

3

T K

s

qo l

h

4 1

3

plg K

2

4'

kq

minl

o

l

4'

b

3'

a) b)

Lucrul mecanic minim, care ar putea s realizeze aceeai putere frigorific q0, ntr-unciclu Carnot, este:

.,4,31,2,aria=

T-T

T

q

=

q

=l=l

0k

0

0

f

0

cmin

(5.8)

Lucrul mecanic al ciclului teoretic n domeniul vaporilor umezi, poate fi scris i subforma:

irmin +l=l (5.9)

Eficiena frigorific a ciclului prezentat este:

.T0, rezult csc


39/105


39

Eficiena frigorific a ciclului real este:

f0 1 4

2 1=

q

l= h

- h

h - hr(5.24)

Randamentul exergetic este:

( )

c12r

41

c

0cex

h-hh-h=

lq=

ll= (5.25)

n figura 5.14 este reprezentat un ciclu frigorific real care ine seama de un mare numrde ireversibiliti care se manifest n mod normal ntr-o main frigorific.

Astfel procesul 1-2 reprezint comprimarea politropic avnd indice politropic (n)variabil, diferit de indicele adiabatic (k). Pe durata comprimrii, de altfel foarte scurt, se producireversibiliti externe datorate transferului termic la diferene finite de temperatur ntre vaporiide agent frigorific i pereii (cmaa) cilindrului, dari ireversibiliti interne datorate frecrilordintre straturile de agent, dintre acestea i pereii cilindrului, sau datorate turbulenelor iomogenizrilor.

Fig. 5.14 Ciclu real care ine seama de numeroase ireversibiliti

Transformarea 2-3 reprezint procesul de curgere a vaporilor de agent frigorific prinsupapa de refulare i apoi prin conducta de refulare, pn la intrarea n condensator. Se observatt laminarea vaporilor n supap, care genereaz o cdere local semnificativ de presiune, cti faptul c temperatura agentului scade. Conducta de refulare este neizolat termic, iar la ieirea

din compresor vaporii pot avea temperaturi de 50120C. n aceste condiii este evident c seproduce o rcire a vaporilori o uoar scdere a entalpiei, aa cum se observ pe diagram.Procesul 3-4 reprezint desupranclzirea vaporilor, sau rcirea acestora pn la

saturaie n prima parte a condensatorului. Se produce o uoar pierdere de presiune.4-5 reprezint procesul de condensare propriu-zis, realizat pe cea mai mare parte din

suprafaa de rcire a condensatorului. Pierderea de presiune este mult mai mare datoritprezenei lichidului n cantitate tot mai mare i este cunoscut faptul c la curgerea lichidului,pierderile de presiune sunt mult mai mari dect n cazul vaporilor.

Procesul 5-6 reprezint subrcirea condensului, care se realizeaz fie n ultima parte asuprafeei de transfer termic a condensatorului, fie ntr-un schimbtor de cldur auxiliar,denumit subrcitor. Aceast transformare, ca i rolul subrcitorului vor fi analizate detaliat n

continuare.


40/105

Mugur BLAN

40

Transformarea 6-7 reprezint cderea de presiune pe traseul conductei de lichid, pnla dispozitivul de laminare. n cele mai multe instalaii frigorifice lungimea acestei conducteeste semnificativ, ceea ce se reflect n valoarea pierderii de presiune.

Laminarea adiabatic 7-8 din dispozitivul de destindere este reprezentat la entalpieconstant, caracterul ireversibil al acestei transformri fiind prezentat anterior. La sfritul

procesului se observ c starea 8 reprezint vapori umezi, adic un amestec de lichid custarea 12 i vapori saturai uscai cu starea 9.

Vaporizarea 8-9 este i aceasta nsoit de ireversibilitile interne tipice pentruprocesele de curgere, datorit crora scade presiunea, dar i de ireversibiliti externe,datorate transferului termic la diferene finite de temperatur.

n ultima parte a suprafeei de transfer termic a vaporizatorului se realizeaz de obiceio supranclzire a vaporilor, reprezentat prin 9-10 pe diagram.

10-11 este procesul de curgere a vaporilor prin conducta de aspiraie, ntre ieirea dinvaporizator i intrarea n compresor. Aceast conduct se izoleaz termic, dar totui se

produce o cretere a entalpiei agentului, datorit ptrunderii cldurii prin izolaie, procesevident ireversibil extern. Curgerea este nsoit i de o cdere de presiune. n instalaiile

frigorifice de puteri mari, lungimea acestor conducte este semnificativ i de multe oriizolaia termic este deteriorat.

Ultimul proces al acestui ciclu 11-1, reprezint supranclzirea produs la curgereavaporilor peste motorul compresorului (n cazul compresoarelor ermetice sau semiermetice),combinat cu laminarea n supapa de aspiraie.

5.5 Ciclul teoretic ameliorat prin subrcire cu ap

Pentru reducerea pierderilor datorate ireversibilitii din procesul de laminareadiabatic, se utilizeazsubrcirea agentului de lucru naintea ventilului de laminare.

Schema instalaiei cu subrcire, utiliznd apa ca agent de rcire, este prezentat n figura

5.15, iar ciclul de lucru din aceast instalaie, n cele dou diagrame termodinamice, este redat nfigurile 5.16.a) i 5.16.b). Se observ c n diagrama T-s, procesul de subrcire 3-3', practic sereprezint pe curba de lichid saturat, deoarece izobara corespunztoare acestui proces, se apropiefoarte mult, suprapunndu-se practic peste curba de lichid saturat.

Principalul efect al subrcirii 3-3' este reprezentat de mrirea puterii frigorifice specifice,cu q0 = h4 h4', fa de ciclul teoretic fr aceast ameliorare, ceea ce mrete eficienafrigorific.

kq

K

VL

oV q

l

C

qsr

SR

1

3'

3 2

4'

Fig. 5.15 Instalaia frigorific cu subrcire cu ap


41/105


41

oT 4

s

1

aT3

3'

2'

h

4 1

3 2' 2

KT 2 lgp K

q =qo

3'

4'q =q

o

4'

srsr

a) b)

Fig. 5.16 Ciclul cu subrcire cu apa) Diagrama T-s; b) Diagrama lgp-h

Pentru evidenierea avantajelor acestui tip de instalaie, se efectueaz un calculcomparativ al ciclurilor cu i fr subrcire cu ap n tabelul 5.1. Toate mrimilecorespunztoare ciclului cu subrcire sunt notate cu indicele ' (prim). Se consider c ambele

instalaii au aceeai putere frigorific 0Q&

.Tabelul 5.1 Analiza comparativ a ciclurilor cu i fr subrcire cu ap

Fr subrcire Cu subrcire Obs.- puterea frigorific specific

410 hhq =- puterea frigorific specific

0'410 qhh'q >=avantaj

- debitul masic al instalaiei

00 qQm&& =


m'qQ'm 00 &&&


42/105

Mugur BLAN

42

5.6 Ciclul teoretic ameliorat prin subrcire intern (regenerarea)

Pentru freoni, se utilizeaz o alt metod de ameliorare a ciclului frigorific, denumitsubrcire intern, sau regenerare. O instalaie cu o asemenea soluie pentru subrcire esteprezentat n figura 5.17, iar procesele de lucru care alctuiesc ciclul cu regenerare suntredate n figura 5.18.a) i b).

K

4'

Vl

3'

3

1'

qoV

l

C

2'

qk

Rg

1

Fig. 5.17 Instalaia frigorific funcionnd cusubrcire intern

Specific acestui procedeu de subrcire a condensului, pe seama supranclzirii vaporilorreci, furnizai de vaporizator, n regeneratorul Rg, este faptul c pe lng creterea puteriifrigorifice, crete i lucrul mecanic consumat, dar n ansamblu eficiena frigorific se mrete.Un mare avantaj al acestei ameliorri, l reprezint faptul c asigur funcionarea n regim"uscat" a compresorului, adic n domeniul vaporilor supranclzii, fr prezena lichidului ncilindri.

Pentru nelegerea avantajelor acestui tip de instalaie, se efectueaz un calcul comparatival ciclurilor cu i fr regenerator n tabelul 5.2. Toate mrimile corespunztoare ciclului cusubrcire intern sunt notate n tabel cu indicele ' (prim). Se consider c ambele instalaii auaceeai putere frigorific 0Q& .

s

T

14

3'

K

3

2 plg

h

4' 14

K

33' 2

4'1'

2'

1'

2'

Fig. 5.18 Ciclul cu subrcire intern:a) Diagrama T-s; b) Diagrama lgp-h

Se observ c o simpl analiz din punct de vedere calitativ a calculelor termicepentru cele dou cicluri, nu permite obinerea unor concluzii privind eficiena comparativ aacestora. n consecin este necesar efectuarea calculelor numerice i compararea valorilor

pentru fiecare mrime n parte.Calculul termic al ciclului cu regenerare prezint o particularitate specific tuturor

instalaiilor termice cu schimbtoare interne de cldur. Schimbtorul intern de cldur,


43/105


43

denumit n acest caz regenerator, permite scrierea unei singure ecuaii de bilan termic (sau debilan energetic), sub forma:

( ) ( )1'1'33Rg hhmhhmQ == &&& (5.26)n aceast ecuaie apar dou mrimi necunoscute, h1'i h3'. Pentru a se putea efectua

calculul termic al ciclului este necesar ca una din cele dou entalpii s fie impus, de exempluprin valoarea temperaturii strii respective. Cealalt entalpie va rezulta din ecuaia de bilantermic (5.26).

Tabel 5.2 Analiza comparativ a ciclurilor cu i fr regenerare

Fr subrcire intern Cu subrcire intern Observaii- puterea frigorific specific

410 hhq =- puterea frigorific specific

0'410 qhh'q >=avantaj


00 qQm&& =


m'qQ'm 00 &&&


44/105

Mugur BLAN

44

n aceast diagram se observ c temperatura de ieire a lichidului din Rg (t3') itemperatura de ieire a vaporilor din Rg (t1'), se gsesc ntre temperatura lichidului la intrarean Rg (t3=tk) i temperatura vaporilor reci la intrarea n Rg (t1=t0). n consecin, dintre t1'i

t3', se va impune acea temperatur care va asigura un transfer termic normal ntre lichid ivapori. Practic trebuie s fie sigur c temperatura obinut prin calcul va rezulta n acelaiinterval t0tk.

Pentru calculul variaiei entalpiei specifice a lichidului se poate scrie:( ) lpl'33pl'33 tcttchh == , (5.27)

unde cpl este cldura specific a lichidului, iartl este variaia temperaturii lichidului n Rg.Pentru calculul variaiei entalpiei specifice a vaporilor se poate scrie:

( ) vpv1'1pv1'1 tcttchh == , (5.28)

unde cpv este cldura specific a vaporilor, iartv este variaia temperaturii vaporilor n Rg.ntre cldurile specifice ale lichidului i vaporilor de freoni exist relaia aproximativ

cpl2cpv. n consecin variaiile de temperatur ale lichidului i vaporilor sunt n relaiatltv/2. Prin urmare, deoarece variaia de temperatur a vaporilor n Rg, este aproximativdubl fa de variaia de temperatur a lichidului, n acelai aparat, este mai sigur s seimpun temperatura vaporilor la ieirea din Rg adic t1', n intervalul t0tki atunci este sigurc i temperatura lichidului la ieirea din Rg adic t3', se va gsi n acelai interval detemperaturi, deci va fi asigurat un transfer termic normal n schimbtorul intern de cldur.

Temperatura t1', dup ce a fost impus, permite determinarea parametrilortermodinamici ai strii 1', ntre care i entalpia h1'. Din ecuaia (5.26), se calculeaz valoareaentalpiei h3' a lichidului la ieirea din Rg, care dup ce este determinat, permite aflareacelorlali parametrii termodinamici ai strii 3', ntre care i temperatura t3'.

O alt particularitate pe care o presupune calculul termic al acestor tipuri de instalaiieste aceea c t1' poate s ia teoretic o infinitate de valori n intervalul de temperatur t0tk. Se

pune deci problema dac nu cumva exist un optim pentru t1'.Rspunsul la aceast ntrebare se poate obine numai prin efectuarea repetat a

calculului termic al ciclului, pentru fiecare valoare a temperaturii t1'. Numrul foarte mare decalcule care trebuie efectuate (teoretic infinit), impune utilizarea calculatoarelor n acest tipde analize comparative. n acest scop este obligatoriu s fie cunoscute relaii de calcul ntre

parametrii termodinamici ai agentului de lucru, ceea ce va elimina necesitatea utilizriidiagramelor termodinamice, care devin ineficiente atunci cnd se dorete efectuarea unuinumr mare de calcule termice ale unui ciclu frigorific.

Dac se efectueaz calculul termic al ciclului cu regenerare, pentru diferite valori t1',

se constat c parametrii de performant ai ciclului i ex, au valori cu att mai ridicate cuct t1' este mai apropiat de tk.

Fig. 5.19. Schimbul de cldur din Rgn diagrama t-s


45/105


45

Literatura de specialitate recomand t1'=t0tk-(1020)C. De regul ns, o cretereatt de pronunat a temperaturii vaporilor, respectiv o subrcire att de avansat acondensului, necesit suprafee mari de schimb de cldur ale Rg, deci o investiie iniialmare, la realizarea instalaiei. n consecin, din considerente care in seama n primul rnd deraiuni tehnico-economice, de cele mai multe ori, n practic, subrcirea maxim a lichidului

este de numai (510)C, iar supranclzirea vaporilor este corespunztor de numai cca.(1020)C.


46/105

Mugur BLAN

46

666 ... MMM AAA III NNN III FFF RRR III GGG OOO RRR III FFF III CCC EEE NNN DDD OOO UUU TTT RRR EEE PPP TTT EEEDDD EEE CCC OOO MMM PPP RRR III MMM AAA RRR EEE

6.1 Necesitatea utiliz

rii a dou

trepte de comprimare

Odat cu scderea temperaturii de vaporizare t0, necesar obinerii unor temperaturifoarte sczute, scade i presiunea de vaporizare p0, deci crete raportul de comprimare alcompresorului H.

Ca o consecin, apar unele dezavantaje ntre care cele mai importante sunt cretereaconsumului de energie i reducerea coeficientului de debit al compresorului. n situaiiextreme, la creterea prea accentuat a raportului de comprimare, aceasta devine nu numaineeconomic ci chiar imposibil. O alt consecin nedorit este creterea temperaturiivaporilor refulai. Aceasta nu pate depi anumite limite, deoarece se poate atingetemperatura de cocsificare, sau chiar de aprindere a uleiului de ungere. De exemplu, lautilizarea amoniacului (NH3), nu se va depi sub nici o form temperatura vaporilor refulai

de 120140C.Orientativ, ntr-o singur treapt de comprimare se pot realiza temperaturi sczute de

pn la 25C. n principiu, raportul de comprimare nu trebuie s depeasc valoarea 8 lautilizarea compresoarelor cu piston verticale, respectiv valoarea 6 la utilizareacompresoarelor cu piston orizontale.

La proiectarea instalaiilor frigorifice pentru realizarea temperaturilor de vaporizareaflate n domeniul pentru care se pot utiliza att instalaii ntr-o treapt ct i n dou trepte, seva efectua o analiz comparativ tehnico-economic, n vederea alegerii variantei optime.Pentru realizarea temperaturilor de vaporizare mai coborte, se va utiliza comprimarea ndou trepte.

6.2 Rcirea intermediar

Evitarea creterii temperaturii de refulare, se realizeaz prin rcirea vaporilor ntrecele dou trepte de comprimare. Acest proces se numete rcire intermediar i se poaterealiza cu ap sau cu agent frigorific.


47/105


47

6.2.1 Rcirea intermediar cu ap

Aceast soluie se poate utiliza atunci cnd temperatura de refulare din prima treaptde comprimare este mai mare dect temperatura de condensare. n figura 6.1 este prezentat

schema de principiu a unei instalaii frigorifice n dou trepte de comprimare i rcireintermediar cu ap. Figurile 6.2.a i 6.2.b reprezint procesele de lucru n diagramele lgp-hi T-s.

Prin utilizarea apei ca agent de rcire, vaporii supranclzii refulai din prima treaptse pot rci pn la o temperatur uor superioar celei a apei, diferena de temperatur fiindde minim 10C. n aceste condiii este evident c la sfritul rcirii intermediare, vaporii deagent frigorific vor avea o temperatur apropiat de temperatura de condensare, aa cum seobservi pe cele dou diagrame. Rcirea intermediar cu ap se realizeaz n schimbtorulde cldur denum

CursMasini frigorifice

Documents

Transcript of CursMasini frigorifice