1.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. Se remarc , n special, utilizarea frigului n:- industria alimentar pentru conservarea i transportarea produselor alimentare uor alterabile, n vinificaie, fabricarea berii, ngheatei, produselor de cofetrie etc.;- construcia de maini pentru obinerea oxigenului i gazelor inerte necesare pentru tierea i sudarea metalelor, precum i pentru prelucrarea oelurilor la temperaturi joase, ceea ce permite mrirea 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 c utilizarea 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, 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 pentru condensarea vaporilor, uscarea gazelor, separarea soluiilor complexe, cristalizarea srurilor, reglarea sensului i vitezei reaciilor chimice, precum i n scopul extragerii deiterului din hidrogen tehnic, utilizat i n fabricarea fibrelor sintetice, a materialelor plastice precum i a cauciucului sintetic;- 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 spaiul cosmic, pentru condiionarea aerului i pentru rcirea aparaturii electronice;- sport pentru realizarea patinoarelor artificiale;- gospodrie pentru pstrarea i tratamentul termic al produselor alimentare.

2.Clasificarea mainilor frigorifice.

Mainile frigorifice se pot clasifica dup: tipul de energie consumat, n funcie de proprietile i starea de agregare ale agenilor de lucru, tipul ciclului.Dup tipul de energie consumat se pot deosebi maini cu comprimare, maini cu consum de cldur, 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 n maini cu absorbie i adsorbie. Principiul de lucru al mainilor cu sorbie este axat pe realizarea succesiv a reaciilor termochimice de sorbie a agentului de lucru de ctre un sorbant, dup care urmeaz desorbia agentului din sorbant. Procesele de sorbie i desorbie joac n aceste maini rolul proceselor de aspiraie (destindere) i refulare (comprimare) executate de compresorul mecanic. 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 prin utilizarea direct a energiei electrice. La trecerea curentului electric printr-un ansamblu format din dou materiale diferite se constat apariia unei deferene de temperatur la cele dou suduri ale sistemului.n funcie de proprietile i starea de agregare a agenilor de lucru, mainile frigorifice se mpart n maini frigorifice cu vapori i cu gaze. Spre deosebire de mainile frigorifice cu gaze la care starea de agregare a agentului nu se modific, la cele cu vapori este necesar condensarea vaporilor 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 ntre limitele impuse de cele dou surse de cldur. n aceast categorie se ncadreaz mainile cu comprimare mecanic de vapori, mainile cu absorbie, unele maini cu comprimare mecanic de gaze precum i mainile cu ejector;- maini ce funcioneaz pe baza unui proces deschis. Ele sunt caracterizate prin aceea c n timpul funcionrii agentul este total sau parial extras din main. n locul agentului evacuat este introdus o nou cantitate de agent.

3. Principiile fizice de obinere a temperaturilor joase

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

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

Cazul gazului ideal

Pentru simplificarea analizei se consider c laminarea gazului ideal are loc n condiii adiabate, cu neglijarea variaiei energiei cinetice a gazului. ntre seciunile i ale conductei n care are loc laminarea (fig. 2.1), se poate scrie pentru de agent c astfel c, aplicnd ecuaia rezult: , sau , ceea ce constituie caracteristica laminrii adiabatice.

n cazul ideal, deoarece se ajunge la concluzia c sau . Schema de precizare a laminrii unui gaz ideal la este demonstrat n fig. 2.2 n diagrama . Fig. 2.1. Diagrama orificiului central S-a artat c pierderile de presiune care nsoesc circulaia fluidelor prin conducte, schimbtoare de cldur etc., pot fi echivalente cu efectele unor procese de laminare. Astfel,

spre exemplu, n cazul schimbtorului de cldur analizat, variaiile temperaturilor celor dou fluide 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 de presiune respective.

Fig. 2.2. Schema de precizare n diagrama a laminrii unui gaz ideal de la la

Cazul gazului real

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

. (2.1)

Fig. 2.3. Schema de precizare n diagrama a efectului frigorific al laminrii unui gaz real aflat n domeniul

n tehnica frigului ne intereseaz mai ales cazul cnd prin laminare temperatura scade (). Astfel, deoarece rezult c .

Se reprezint un proces de laminare n domeniul n timpul cruia presiunea scade de la la , iar temperatura de la pn la .

Procesul este reprezentat n diagrama (fig. 2.3). Efectul frigorific care poate fi realizat este denumit efect izotermic de laminare i cu creterea entropiei n procesul izobar de nclzire . Scderea temperaturii n procesul de laminare este .

Procesul de destindere adiabat

Realizarea efectului frigorific este indisolubil legat de existena procesului de destindere al agentului 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 pn la (fig. 2.4) se poate obine lucru, dac acest proces este reversibil (procesul ).

n acest caz lucrul se realizeaz din contul schimbrii entalpiei agentului de lucru i se ndeprteaz de la detentor. Examinm cum se schimb parametrii agentului de lucru care caracterizeaz procesul de destindere cu efectuarea lucrului exterior. Dac procesul de destindere cu efectuarea lucrului exterior se realizeaz fr pierderi i fr schimb de cldur cu mediul ambiant, atunci entropia agentului de lucru nu se schimb, adic . Lucrul care se realizeaz n procesul de destindere (procesul ) se ndeprteaz de la sistem. Fiindc acest lucru se realiz pe seama energiei agentului de lucru atunci temperatura lui n procesul de destindere totdeauna scade.Fig. 2.4. Procesele de laminare i de destindere adiabate cu ndeplinirea lucrului exterior

Scderea tempera-turii se determin de derivata , care poate fi calificat ca coeficient de destindere adiabatic rever-sibil i prin analogie cu poate fi notat prin .Din termodinami-c se tie c:

, (2.2)

unde: - volumul spe-

cific;

- cldura specific.

Fiindc i sunt pozitive totdeauna, deci:

.

Deci, procesul de destindere adiabat cu ndeplinirea lucrului exterior este mai eficient dect procesul de laminare adiabat. La aceast concluzie putem ajunge dac examinm aceste procese n diagrama . Procesul este un proces de destindere adiabat cu ndeplinirea lucrului exterior, Procesul - proces de laminare. Din fig. 2.4 se vede c .

Efectul termoelectric (efectul Peltier)

Dup cum este cunoscut, aplicarea unei diferene de temperatur ntre punctele de sudur a dou materiale diferite aduce la apariia unei tensiuni termoelectromotoare (t.t.e.m.), care la rndul ei, 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. Tensiunea termoelectromotoare a unui termocuplu se determin pe baza relaiei:

, (2.3)

unde , reprezint coeficienii t.t.e.m. ai celor dou materiale, n iar - diferena de temperatur aplicat.

n cazul metalelor valorile lui sunt relativ reduse i, implicit, diferena este mic; n schimb ns semiconductorii permit obinerea unor valori importante ale t.t.e.m. care asigur funcionarea generatoarelor termoelectrice.

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

Fig. 2.5. Schema unui termoelement alimentat cu curent electric: - n situaia ; - n situaia Sensul schimbului de cldur cu exteriorul este determinat de sensul curentului electric n circuit, aspect evideniat cu ajutorul fig. 2.5.Cldura absorbit sau evacu-at n punctul de sudur considerat este precizat de relaia:

, [],(2.4)

unde este coeficientul lui Peltier, n , iar -

intensitatea curentului electric, n .

ntre coeficienii i exist relaia de legtur:

,(2.5)

unde , este temperatura sudurii.Pe lng cele dou efecte descrise, se constat c la trecerea unui curent electric print-un material n care exist un gradient de temperatur are loc degajarea sau absorbirea, n funcie de sensul curentului electric, a unei clduri, efect prevzut de Thomson i descoperit n anul 1867; acest efect nu are legtur cu cel electrocaloric de degajare a cldurii la trecerea unui curent electric print-un material avnd o rezisten electric. ntr-adevr, la trecerea unui electron ntr-o zon de temperatur mai ridicat, acesta i completeaz energia pe seama energiei atomilor care l nconjoar ceea ce determin absorbirea cldurii; invers, la trecerea electronului ntr-o zon de temperatur mai cobort el cedeaz energie, ceea ce conduce la degajare de cldur.Cldura Thomson este precizat de relaia:

[],(2.6)

unde este coeficientul lui Thomson care poate fi corelat cu pe baza relaiei:

. .(2.7)Este evident c, pe lng cele artate, funcionarea sistemelor termoelectrice este influenat i 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 , astfel c fluxul de cldur schimbat de sudura rece a termoelementului prezint trei componente:- cldura primit ca urmare a conduciei termice (pe baza legii lui Fourier):

, [],(2.8)

unde , reprezint coeficienii care in seama de conducia termic a fiecrei ramuri a termoelementului, n :

,(2.9)

unde: conductivitatea termic a poriunii considerate, n ;

seciunea poriunii, n ;

lungimea poriunii, n .

Jumtate din cldur este degajat prin efect electrocaloric Joule, cealalt jumtate fiind evacuat prin sudura cald la temperatura :

,(2.10)

unde , reprezint rezistenele electrice ale celor dou poriuni, n ;

,(2.11)

n care este rezistivitatea electric, n ;

- cldura preluat din spaiul rcit, n .n regim staionar de funcionare suma celor trei componente este egal cu cldura evacuat pe baza efectului Peltier:

,(2.12)sau

.

Din ecuaia de bilan termic (2.12) se extrage fie , fie :

;(2.13)

,(2.14)

unde reprezint fluxul de cldur, n , preluat de termoelement prin sudura rece la temperatura .

Se observ c, pe msur ce scade, se mrete diferena de temperatur care devine maxim la acumularea lui .Eficiena cuplului de materiale din care este executat termoelementul se caracterizeaz cu valoarea:

,(2.15)

unde ; ; .

Pentru determinarea diferenei maxime de temperatur se pune condiia ; rezult :

.(2.16)

Materialele semiconductoare utilizate sunt, n general, aliaje pe baz de , , i .Domeniile de utilizare a efectului frigorific termoelectric sunt multiple: frigidere casnice, instalaii de condiionare, termostate, higrometre, aparataj medical etc.

Efectul frigorific turbionar (efectul Ranque)

Efectul frigorific turbionar, descoperit de ctre inginerul francez Ranque n anul 1931, are la baz un proces gazodinamic, care se desfoar ntr-un curent turbulent spaiul de fluid compresibil vscos. 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 se rcesc, fiind evacuate prin orificiul diafragmei, iar cele periferice se nclzesc i prsesc tubul prin seciunea 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:

- , - temperatura i presiunea curentului de gaz comprimat la ntrare n ajutaj;

- , - temperatura i presiunea curentului de gaz rece;

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

; .

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

,(2.17)

se mai noteaz cu fraciunea de gaz rece obinut astfel c

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

,(2.19)

n care , i reprezint entalpiile gazului comprimat, gazului rece i gazului cald.Tubul de vrtej este utilizat pe scar larg n diferite domenii ale tehnicii. Dintre aplicaii se pot aminti urmtoarele: camera frigorific turbionar sub vid, higrometru turbionar, carburator turbionar, termostat turbionar etc.

4. Diagrame de stare

Fluidele reale se comport diferit fa de gazul ideal. Doar n condiii de temperaturi ridicate i presiuni mici se apropie de gazele ideale, n realitate, comportarea fluidelor reale n cadrul transformrilor de stare este foarte complex i difer de la un fluid la altul.Discontinuitatea, caracteristic de baz a materiei, se manifest i n domeniul termodinamicii fluidelor, n sensul c atunci cnd parametrii de stare, presiune i temperatur, ating anumite valori strict determinate i mereu aceleai, un fluid real i schimb brusc proprietile fizice. 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 de agregare 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, dac presiunea rmne constant. Valorile presiunii i temperaturii la care are loc schimbarea de stare definesc aa numita stare de saturaie.Att timp, ct nu intervine o schimbare de faz, cantitatea de cldur schimbat de un corp este 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, cu T variaia temperaturii corpului c o mrime care caracterizeaz corpul din punct de vedere termic, numit cldur specific i msurat n J/(kgK) sau kcal/(kgC).Cldura specific reprezint cantitatea de cldur necesar variaiei temperaturii unitii de mas cu un grad Kelvin. Dac schimbul de cldur se face la presiune constant, cldura specific se noteaz cu cp i se numete cldur specific masic la presiune constant.Produsul (mc) se numete capacitate caloric i reprezint cantitatea de cldur primit sau cedat de un corp pentru a-i modifica temperatura cu 1 grad Kelvin.Deoarece efectul cldurii primite de corp se manifest prin creterea temperaturii (n cazul n care 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 a temperaturii sale i are loc o schimbare de faz, cldura se numete cldur latent. Astfel, cldura necesar 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.Conform primului principiu al termodinamicii (relaia 3.35) cantitile de cldur, att sensibile 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, variaia entalpiei 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 de vapori. 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

,(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:

. (3.45)Diagrama presiune - entalpie, larg utilizat n tehnica frigului, are reprezentate n abscis entalpii specifice n J/kg sau kcal/kgf, iar n ordonat presiuni n bar sau kgf/cm. Diagrama cuprinde curba 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 se reprezinte logaritmi zecimali ai presiunii n loc de presiune, acest lucru asigurnd o citire mai exact a valorilor parametrilor de stare n domeniul temperaturilor sczute).Cmpul diagramei este mprit de ctre curba de saturaie i izoterma care trece prin punctul critic (numit izoterma critic) n 4 zone:Fig. 3.11. Diagrama de stare presiune -entalpie (lg p i) zona l de lichid, situat n stnga curbei de saturaie pn n punctul K i sub izoterma critic. Ramura (aK) a curbei de saturaie se numete curb de saturaie a lichidului; zona II de vapori supranclzii, n dreapta curbei de saturaie i sub izoterma critic. Ramura (Kb) a curbei de saturaie poart denumirea de curb de saturaie a vaporilor; zona III de vapori umezi, numit astfel deoarece aici exist n echilibru cele dou faze, lichid i vapori;

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) sunt curbe de forma (a12b) care traverseaz zonele de lichid, vapori umezi i vapori supranclzii.

Fig. 3.12. Principalele tipuri de curbe din diagrama de stare presiune-entalpieIzobarele (p = const) sunt drepte parale-le cu axa absciselor, de forma (c12d).n domeniul vaporilor umezi, izotermele se suprapun peste izobare, deoarece transformarea de faz lichid - vapori are loc la temperatur i presiune constant.

Izentropele (s = const) sunt curbe de for-ma (), iar izocorele au forma (z 2 w) cu schimbarea de pant n punctul de intersecie cu curba de saturaie.

n domeniul vaporilor umezi, mai apar pe diagram curbele de titlu al vaporilor constant, . Se definete titlul de vapori ca fiind raportul dintre masa vaporilor mv, i masa total m a agentului frigorific:

, . (3.46)Toate curbele de titlu constant converg n punctul critic K.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 n K. 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 proprietile fundamentale 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 de dreapt paralele cu axa absciselor, cuprinse ntre dou drepte paralele cu axa ordonatelor care trec prin punctele de nceput i sfrit de transformare.Fig.3.13. Principalele tipuri de curb din diagrama de stare temperatur-entropie (T s)n diagrama T s, can-titile de cldur n transformrile izobare sunt reprezentate de arii cuprinse sub curba transformrii, axa absciselor i dou drepte paralele cu axa ordonatelor, care trec prin punctele de nceput i sfrit de transformare, fapt care face ca aceast diagram s se numeasc i diagram caloric.

5. Transformri de stare

Fie un sistem termodinamic oarecare (fig.3.1). n cazul general, el poate schimba cu exteriorul energie 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 n condiii exterioare invariabile, condiiile lui interioare (adic mrimile de stare) nu se modific ci se menin constante.Fig. 3.1. Simbolizarea unui sistem termodinamic oarecare Dac se consider numai aciunile mecanice i termice dintre corpuri, starea de echilibru termodinamic a unui sistem omogen cu n componeni poate fi precizat n mod univoc 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 sistem termodinamic 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, v1 T1). Sub aciunea mediului exterior (vezi fig. 3.2) sistemul trece din starea 1 n starea 2 (p2, v2, T2). Strile 1 i 2 sunt stri de echilibru. Dac schimburile de cldur i lucru mecanic cu exteriorul se produc cu viteze mari, n regim dinamic (nestatic, nestaionar, tranzitoriu sau nestabilizat) atunci distribuia mrimilor de stare este neuniform, fiind necesar un anumit interval de timp pentru egalizarea lor n funcie de viteza cu care se produc schimbrile de energie cu 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. Dac transformarea se poate produce i n sensul invers, de la 2 la 1, sistemul trecnd prin aceleai stri intermediare, ea este numit reversibil.Prin definiie, un proces termodinamic este reversibil dac transformarea dintre dou stri poate fi parcurs n ambele sensuri astfel nct sistemul s treac prin aceleai stri intermediare de echilibru fr ca n mediul ambiant s se produc vreo schimbare remanent.Fig. 3.2. Transformri de stare a unui fluidProcesul ireversibil este procesul n care:- 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 procese ciclice sau cicluri termodinamice. n fig.3.2, transformarea 1A2B1 este un ciclu termodinamic. Un ciclu 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 este determinat, rezult c unui punct din diagrama p-V i corespunde o anumit stare i numai una. n acest fel, un ciclu oarecare 1ABC1 (fig. 3.3) poate fi reprezentat n aceast diagram. Procesele, la care starea final este alta dect cea iniial, se numesc procese termodinamice deschise. Fluidul care parcurge o transformare termodinamic de stare se numete agent termic sau agent de lucru. Fig. 3.3. Ciclu termodinamic reprezentat n diagrama presiune-volum (p-V) S-a artat anterior c un gaz real se apropie ca i comportament de gazul ideal la presiuni mici i temperaturi ridicate, n cazul gazului ideal este valabil ecuaia de stare Clapeyron (relaia 3.8). n astfel de situaii, exist procese caracterizate prin faptul c la trecerea 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 care nu variaz cu o constan t. De exemplu, pentru procesul izoterm, nlocuind n ecuaia de stare Clapeyron temperatura cu o constant, rezult:pV = const ,(3.12)care reprezint ecuaia izotermei. Similar, se obin ecuaiile izobarei

, (3.13)i izocorei

= const. (3.14)Se poate arta c pentru un proces termodinamic adiabatic, n care nu se schimb cldura cu exteriorul ecuaia transformrii este:

,(3.15)n care k se numete exponent adiabatic.Cea mai general transformare de stare este transformarea politropic, exprimata prin relaia

,(3.16)n care n este exponentul politropic.

6. Clasificarea ciclurilor inversate

Agentul de lucru al mainii frigorifice svrete ciclul inversat datorit energiei mecanice sau a altui tip de energie. Sunt trei variante ale ciclurilor inversate: de rcire, de pomp termica i combinat.

Maina frigorific funcio-neaz pe baza ciclului de rcire i servete pentru rcirea unui mediu oarecare sau pentru meninerea temperaturii joase n obiectul de rcire dac cldura de la sursa cu temperatura joas se transmi-te la mediul ambiant. Acest ciclu inversat este prezentat n fig. 4.1.

n procesul de la sursa cu temperatura joas se transmite la agentul de lucru cldura , n timpul procesului agentul de lucru se comprim, n timpul procesului are loc evacuarea cldurii de la agentul de lucru la mediul ambiant. Procesul prezint destinderea agentului de lucru cu producerea lucrului mecanic tehnic specific .

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

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

.(4.1)Lucrul mecanic specific care trebuie s fie cheltuit pentru realizarea ciclului inversat este egal cu:

.(4.2)

Eficacitatea termodinamic a ciclului de rcire se caracterizeaz cu ajutorul eficienei frigorifice :

.(4.3)

Dac cldura se transmite de la mediul ambiant la sursa cu temperatura mai nalt, atunci maina frigorific funcioneaz pe baza ciclului pompei termice. n acest caz maina frigorific se utilizeaz pentru termoficare. Acest mod de termoficare uneori e numit nclzire dinamic. Ciclul de pomp termic este artat n fig. 4.1,b. n timpul procesului cldura se transmite de la mediul ambiant la agentul de lucru. n procesul comprimrii (procesul ) agentului de lucru entalpia i temperatura se mrete, iar n procesul agentul frigorific transmite cldura la sursa cu temperatur nalt a apei sau aerului, care se utilizeaz pentru nclzirea locuinelor sau pentru alte scopuri tehnologice. Procesul este destinderea agentului de lucru cu producerea lucrului mecanic specific .

Eficacitatea termodinamic a ciclului de pomp termic se determin cu ajutorul coeficientului de nclzire

.(4.4)ntre eficiena frigorific i coeficientul de nclzire exist legtura:

.(4.5)

Ciclul combinat este ciclul n care cldura se transmite de la sursa cu temperatur joas la sursa cu temperatur nalt. Acest ciclu este reprezentat n fig. 4.1, c, unde este procesul de transmitere a cldurii de la sursa cu temperatur joas la agentul de lucru; - procesul de comprimare a agentului de lucru; - evacuarea cldurii de la agentul de lucru la sursa cu temperatur nalt; - procesul de destindere a agentului de lucru cu producerea lucrului mecanic tehnic specific .

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 :

; ,

unde i - lucrul mecanic tehnic specific a ciclurilor i corespunztor.

7. Clasificarea agenilor frigorifici i cerinele fa de ei

Agenii de lucru ai mainilor frigorifice se grupeaz n mai multe categorii. Agenii frigorifici, utilizai n mainile frigorifice cu comprimare mecanic de vapori au o temperatur de vaporizare la presiunea atmosferic normal. n funcie de aceast temperatur, denumit temperatur normal de vaporizare , se deosebesc trei categorii de ageni:- cu temperatur mai ridicat de vaporizare situat ntre 0 C i 60 C utilizai mai ales n pompele de cldur;- cu temperatur medie de vaporizare cuprins ntre 50 C i 0 C;- cu temperatur joas de vaporizare plasat ntre 120 C i 50 C.

n funcie de presiune agenii frigorifici se mpart n trei categorii: cu presiune nalt, medie i joas. La prima grup se refer agenii care au presiunea de condensare la temperatura 30 C ntre i , la grupa a doua agenii cu presiunea ntre i , la grupa a treia agenii cu presiunea mai joas de . Aerul, precum i alte gaze sau amestecuri de gaze avnd temperaturi joase de vaporizare, se utilizeaz n mainile frigorifice cu comprimare de gaz, n cele turbionare, precum i n instalaiile de lichefiere i separare a gazelor.Soluii ale diferitor substane se utilizeaz n mainile cu absorbie.Apa e utilizat n instalaiile cu jet de vapori. Condiiile care trebuie s le satisfac un agent frigorific utilizat n mainile cu comprimare de vapori sunt urmtoarele:- presiunea de vaporizare s fie superioar presiunii atmosferice, dar apropiat de aceasta n scopul evitrii infiltrrii aerului n vaporizator, care mpreun cu umezeala contribuie la intensificarea procesului de coroziune;- presiunea de condensare s fie redus cu scopul micorrii greutii compresorului, creterii randamentului mecanic al acestuia i evitrii pierderilor de agent;

- puterea frigorific specific s fie ct mai mare, ceea ce reprezint cldura preluat de de agent n procesul de realizare a efectului frigorific prin vaporizare sau nclzire;- cldura specific a agentului frigorific lichid s fie ct mai redus n vederea micorrii pierderilor cauzate de ireversibilitatea procesului de laminare;- volumul specific al vaporilor aspirai s fie ct mai redus n cazul compresoarelor cu piston, n vederea micorrii dimensiunii acestora i, respectiv, ct mai mare, n cazul turbocompresoarelor frigorifice pentru mrirea randamentului intern al procesului de comprimare;- viscozitatea s fie moderat pentru mbuntirea transferului de cldur i reducerea pierderilor de presiune, dar nu prea mic pentru a nu favoriza scprile de agent frigorific;- s posede insolubilitate reciproc a agentului frigorific n ulei n cazul compresoarelor cu piston deoarece aceasta determin murdrirea suprafeelor de schimb de cldur ale condensatorului i vaporizatorului i reducerea puterii frigorifice a mainii;- s nu prezinte pericol de explozie, s nu fie inflamabile i toxice;- s posede stabilitate chimic i pasivitate la coroziune;- s posede cost redus.Agenii utilizai n mainile frigorifice cu comprimare mecanic de gaze trebuie s aib temperatur normal de vaporizare ct mai cobort pentru a nu se lichefia sau solidifica n instalaie.n cazul gazelor prezint importan viscozitatea, conductivitatea termic, precum i dependena cldurii specifice de temperatur i presiune.n acest mod devine posibil reducerea i uniformizarea diferenelor de temperatur necesare pentru efectuarea transferului de cldur i prin aceasta se micoreaz pierderile cauzate de ireversibilitatea acestui proces.

8.Proprietile agenilor de lucru a mainilor frigorifice cu comprimare mecanic de vapori

Proprietile fizice ale celor mai importani ageni frigorifici utilizai n mainile cu comprimare de vapori sunt prezentate n tab. 5.1.n continuare vom enumera unele caracteristici ale agenilor frigorifici utilizai n tehnica frigului moderat.

Amoniacul este utilizat pe scar larg n instalaiile frigorifice cu comprimare de vapori cu o treapt i cu dou trepte, precum i n cele cu absorbie pentru temperaturi de vaporizare 60 C; temperatura normal de vaporizare a amoniacului este de 33.35 C. Printre avantajele amoniacului se numr volumul specific mic la temperaturile de vaporizare uzuale, uurina depistrii scurgerilor de amoniac datorit mirosului specific, solubilitatea redus n ulei, nu exercit 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 este toxic, exploziv i inflamabil la concentraii de % amoniac n aer. La temperatura de -77.7 C amoniacul se solidific i la temperatura de 260 C se descompune n azot i hidrogen.

Bioxidul de carbon 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 () la presiunea critic . Din acest motiv 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 () freonii determin temperaturi de comprimare reduse. Ca definiie, freonii reprezint derivai dublu halogenai ai hidrocarburilor saturate () obinui prin nlocuirea parial sau complet a atomilor de hidrogen prin atomi de fluor, clor sau brom. n consecin deci, formula freonilor este unde .

Notaia prescurtat a freonilor este sau (refrigerent), fiind numrul freonului format din dou sau trei cifre care se stabilete dup urmtoarele reguli:

a) la derivaii fr atomi de hidrogen () prima cifr (dac este format din cifre) sau primele dou cifre (dac este format din cifre) definesc hidrocarbura n modul urmtor: - pentru metan (); - pentru etan (); - pentru propan (); - pentru butan (). n continuare se scrie numrul atomilor de fluor (); exemple: freonul - difluordiclormetan: ; freonul - tetrafluordicloretan: ;

b) la derivaii cu atomi de hidrogen () numrul acestor atomi se adaug n felul urmtor: la derivaii metanului la prima cifr, iar la ceilali derivai, la cifra a doua; exemple: freonul - monofluordiclormetan: , freonul - trifluoretan: ;

c) la derivaii cu atomi de brom (), dup numrul principal se pune litera dup care se scrie numrul atomilor de brom; exemplu: freonul : .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 aciunea coroziv.

Dezavantajele freonilor constau n viscozitatea lor foarte redus care favorizeaz scurgerile precum i solubilitatea reciproc cu uleiul care se accentueaz la mrirea presiunii i reducerea temperaturii freonului. Tot n categoria dezavantajelor se ncadreaz i faptul c freonii au o densitate mai ridicat, ceea ce determin creterea rezistenelor hidraulice la circulaia lor prin conducte. 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 cel pentru n condiiile aceleai puteri frigorifice. De asemenea, se remarc faptul c freonii conduc la coeficieni de transfer de cldur sensibil mai mic n cazul amoniacului.

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

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 :

,

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

- freonul-, , este utilizat ca agent de lucru n instalaiile frigorifice cu turbocompresor avnd o putere frigorific peste n scopul condiionrii aerului, pentru rcirea apei precum i n instalaiile de pompe termice. Particularitatea const n puterea frigorific volumic redus ( la 15 C), presiuni de condensare i vaporizare coborte ( la 30 C i la15 C);

- freonul-, , este utilizat ca agent de lucru n instalaiile frigorifice pentru obinerea unor temperaturi moderate (0 C) n scopul condiionrii aerului, pentru rcirea apei;

- freonul-, , este recomandat ca agent de lucru n instalaiile de condiionare a aerului echipate cu turbocompresoare.b) cu temperatur normal de vaporizare medie:

- freonul-, , este utilizat n instalaiile frigorifice ntr-o treapt echipat cu compresoare cu piston la temperatur de condensare 75 C i temperatura de vaporizare C precum i la cele cu turbocompresoare pentru C;

- freonul-, , 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 C. Se remarc tendina de nlocuire a freonului- cu freon- n cazul instalaiilor frigorifice de puteri mari;

- freonul-, , este utilizat n instalaiile de pompe termice precum i n cele de condiionare a aerului avnd o temperatur ridicat de condensare (C) la o presiune relativ redus de condensare;

- freonul-, , are temperatura normal de vaporizare C, este utilizat n instalaiile frigorifice cu o treapt. Cu aerul formeaz amestecuri inflamabile;c) cu temperatur normal de vaporizare joas:

- freonul-, , este utilizat n instalaiile frigorifice cu mai multe trepte i n cele n cascad i permite obinerea unor temperaturi C;

- freonul-, , poate fi utilizat n instalaiile frigorifice n trepte sau n cascad pentru obinerea unor temperaturi de 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 proprieti sensibile diferite de cele ale componenilor. Astfel, un amestec, freonul-, format din % freon- i % freon- () are temperatur normal de vaporizare de n timp ce are , iar de . Caracteristicile amestecului azeotrop 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 este caracterizat prin rapoarte de presiuni mai reduse i o putere frigorific volumic mai mare. Unul din cele mai perspective amestecuri azeotrope este freonul-. El prezint un amestec azeotrop compus din freon- i freon- i este utilizat pentru obinerea temperaturilor medii i joase. Temperatura normal de vaporizare a lui este . Utilizarea acestui freon este cea mai eficient n mainile frigorifice cu compresoare ermetice i permite micorarea consumului de energie cu i creterea capacitii frigorifice cu n raport cu . Datorit temperaturilor de refulare relativ reduse nu se impun condiii stricte ctre gradul de supranclzire a vaporilor aspirai n compresor. Freonul- poate fi utilizat la nivelul unor temperaturi de condensare .Spre deosebire de amestecurile azeotrope amestecurile neazeotrope se caracterizeaz prin concentraii de echilibru diferite ale componenilor n faza lichid i n cea gazoas. Vaporizarea i condensarea amestecurilor azeotrope are loc la temperaturi variabile. Schimbnd compoziia acestor amestecuri 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 temperaturi variabile ale surselor, creterea capacitii frigorifice, reducerea temperaturii sfritului comprimrii, 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 serie de avantaje cum sunt: temperaturi de vaporizare coborte i respectiv temperaturi de solidificare coborte.

Astfel, metanul are temperatura de vaporizare n condiii normale, , iar temperatura de ngheare - 182.48 C. n domeniul temperaturilor joase, presiunile de lucru la vaporizator 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 hidrocarburile au temperatura critic destul de cobort, fapt ce constituie un dezavantaj serios. Din aceast cauz la instalaiile n cascad hidrocarburile se pot folosi doar n treapta inferioar. De asemenea sunt inflamabile, formnd cu aerul amestecuri explozive. Faptul c se amestec cu uleiul contribuie la reducerea viscozotii acestuia. Au greuti moleculare mici, iar toxicitatea este redus.Se recomand folosirea acestor hidrocarburi ca ageni frigorifici, n special n industria chimic, 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.

9.Agenii purttori de frig

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

Temperatura de congelare a acestor soluii depinde de concentraia masic a srii n soluie. Pentru rezult c temperatura de congelare este de 0 C. La creterea concentraiei aceast temperatur scade pn la o anumit valoare critic a concentraiei, temperatura de congelare devine minim. n fig. 5.1 sunt artate legile de variaie a temperaturii de congelare n funcie de concentraia pentru cele dou soluii.

Punctul este punctul criohidric. n cazul soluiei de clorur de sodiu, temperatura minim de congelare n punctul criohidric este de la . n cazul soluiei de clorur de calciu aceast temperatur este de la .

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

Ca ageni purttori de frig pot fi utilizate lichidele antigel de tipul soluiei de etilenglicol i propilenglicol . De asemenea, se poate folosi n anumite condiii amoniacul (), freonul- (), freonul- ().

Fig. 5.1. Influiena concentraiei asupra tem-peraturii de congelare a soluiilor de () i ()

10.Contribuia freonilor la distrugerea stratului de ozon. Mecanismul de distrugere a 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 oamenilor de efectele nocive ale radiaiei solare ultraviolete excesive. n consecin substanele chimice ce afecteaz stratul de ozon sunt supuse controlului. Majoritatea rilor din lume sau asociat cu scopul soluionrii acestei probleme. Ele au elaborat un tratat, numit Protocolul de la Montreal, pentru a stopa producerea substanelor chimice, inclusiv a agenilor frigorifici ce cauzeaz epuizarea stratului de ozon.

Ozonul () este un gaz din atmosfer compus din trei atomi de oxigen. El se formeaz atunci cnd razele solare ultraviolete cauzeaz descompunerea moleculelor de oxigen (). Atomii de oxigen () formai reacioneaz cu moleculele de oxigen pentru a forma ozonul. Ozonul este un gaz rarefiat situat la altitudinea de 15-60 km. Acolo el formeaz aa-numitul strat de ozon. n acest 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 fi absorbite de alte gaze din atmosfer. Cu toate acestea, o anumit cantitate de radiaie ultraviolet este 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; 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 CFC nu se descompun timp de 100 ani), nct ei nu sunt descompui n troposfer (partea inferioar a atmosferei). Prin circulaia aerului aceti ageni 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. Clorul reacioneaz cu ozonul formnd oxigen. Atomul de clor doar catalizeaz procesul, el nu este implicat n reacie. Cu toate acestea un singur atom de clor continu transformarea ozonului n oxigen prin mii de reacii similare.Ozonul este distrus nu numai prin intermediul agenilor frigorifici. El este distrus i pe cale natural, 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 ozon fiind 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 care conin clor. Aceti compui sunt utilizai drept carburani, ca ageni de expandare, solveni n electrotehnic i ageni frigorifici. Substanele chimice longevive cu coninut de brom, cum sunt halonii pentru instalaii antiincediare, de asemenea, contribuie la epuizarea ozonului.Hidroclorfluorcarburile (HCFC) fac parte din CFC i au fost fabricate n calitate de substituieni. Ele sunt folosite preponderent ca ageni frigorifici i n producerea spumelor. HCFC sunt 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 a clorului s ajung n stratosfer.Pentru a contribui la distrugerea ozonului, substana trebuie s posede dou proprieti. S posede 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 poate atinge chiar sute de ani. Din acest considerent majoritatea freonilor eliberai n atmosfer constituie un pericol pentru generaia viitoare i pentru viitorul planetei. Durata de existen a unei molecule de 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 20 ani, pentru R12 120 ani, n timp ce pentru R13 este de 400 ani. n consecin, din punct de vedere al duratei de existen, cei mai nocivi freoni sunt cei care nu mai conin hidrogen n molecul, adic R11, R12, R113, R114, R115, R502 .a.m.d.n literatura de specialitate exist referiri la ordinea nocivitii diferiilor freoni asupra stratului de ozon. Fiecrei molecule a unui agent halogenat i se atribuie un indice relativ de nocivitate 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 indicele unitar de distrugere a ozonului:

.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 extrem de frig. Temperatura joas favorizeaz creterea norilor reci, care servesc drept suprafa pentru recii chimice speciale. n pofida absenei razelor solare, chimicalele care conin clor i sunt inactive sunt transformate n forme active, capabile s atace ozonul. Primvara, cnd cantitatea razelor 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 primvara devreme; 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 necesitatea proteciei stratului de ozon. Primul pas de transformare a acestor acorduri n aciuni globale a fost efectuat n martie 1985, n baza dovezilor tiinifice ferme c chimicalele produse de om duneaz stratului de ozon. Aceasta sa soldat cu adoptarea la Viena a Conveniei privind protecia stratului de ozon. Prile Conveniei au czut de acord s ia msuri corespunztoare pentru protecia ozonului i au anticipat negocierea protocoalelor de msuri speciale.Necesitatea unui protocol a aprut, practic, imediat, cnd n iunie 1985 au fost publicate primele date despre apariia gurii de ozon n Antarctida. Negocierile globale pentru un protocol au fost 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 n ianuarie 1989 i este baza legal pentru eforturile mondiale de a proteja stratul de ozon prin intermediul controlului producerii, consumului i folosirii substanelor care distrug ozonul.Actualmente Protocul de la Montreal a fost ratificat de 181 ri, care au devenit pri ale Protocolului i sau ncadrat legal n condiiile lui. Circa 1/3 sunt ri dezvoltate, iar 2/3 sunt ri n curs 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 n limbajul protocolului ca substane controlate. La ntlnirile de la Londra i Copenhaga din 1990 i 1992, controlul a fost nsprit i extins asupra altor chimicale. n loc de reducerea producerii i consumului a doar 5 CFC i 3 haloni, Protocolul cerea de la rile dezvoltate s suprime ealonat 15 CFC, 3 haloni, 34 HBrFC, tetraclorura de carbon i metilcloroformul. Orarul reducerii de lung durat a fost aprobat pentru 40 HCFC, care la fel va duce la suprimarea lor complet. Lista substanelor controlate este n prezent extins pentru a include bromura de metil conform ntrunirii a aptea a Prilor.Prile Protocolului de la Montreal au convenit de a reduce i elimina utilizarea SDO pn cnd vor fi accesibili substitueni i tehnologii alternative. Aceasta a fost recunoscut ca o strategie de succes. Industriile i manufacturile au elaborat deja substane i tehnologii alternative pratic pentru fiecare utilizare a SDO. Multe ri deja au succese considerabile n suprimarea SDO.Recunoscnd necesitatea rilor n curs de dezvoltare de a crete economic i deoarece utilizarea lor a CFC este relativ joas, Protocolul de la Montreal le garanteaz o perioad de amnare de 10 ani, n comparaie cu rile dezvoltate, pentru a implementa msurile de reducere i suprimare a SDO. La ntrunirea din 1990 de la Londra, prile au creat un mecanism financiar care prevede asistena tehnic i financiar a programelor din rile n curs de dezvoltare care prevd protecia stratului de ozon. Pentru a fi eligibile de a primi suport n cadrul mecanismelor financiare, prile trebuie s fie ri n curs de dezvoltare i s consume pe parcursul unui an mai puin de 0,3 kg de substane controlate pe cap de locuitor. Mai mult de 100 de ri corespund acestor criterii; ele sunt numite ri ale Articolului 5, deoarece statutul lor este definit n Articolul 5 al Protocolului de la Montreal. Republica Moldova a ratificat Protocolul de la Montreal, coform cruia agenii economici din ar pot s utilizeze agenii frigorific CFC pn n anul 2008, iar HCFC pn la finele anului 2030.

11.Ageni frigorifici de substituire a agenilor distrugtori ai stratului de ozon

Pn nu demult agenii frigorifici de baz, care se utilizau n instalaiile frigorifice bazate pe comprimarea vaporilor, erau cei distrugtori de ozon i anume R12, R22 i R502, n cazuri speciale se utiliza R114, R12B1, R13B1 i R503.n perspectiv, din toate aceste gaze refrigerante, doar R22 va fi permis, i oricum doar pentru o perioad limitat de timp, deoarece i acest agent frigorific conduce la epuizarea rezervelor de ozon, dei nensemnat.n urma acestor inovaii se ateapt schimbri enorme n industria refrigeratoare i de condiionare a aerului datorit iniierii unei programe vaste pentru cercetarea agenilor alternativi i a amestecurilor de ageni ce nu conin clor. Toate aceste cercetri au artat rezultate impuntoare cu perspective ncurjtoare. La momentul de fa se contureaz urmtoarea schem de substituire a agenilor frigorifici care epuizeaz rezervele de ozon (fig. 5.3).Aadar, conform clasificrii agenilor frigorifici de substituire a celor ce distrug ozonul, toi agenii alternativi se divizeaz n dou grupe: ageni frigorifici de tranziie, care pot fi de o singur substan (R22, R124, R142b) ct i amestecuri neazeotrope (binare sau triple) de freon n care predomin R22, care se vor utiliza pn la gsirea unor ageni de lucru optimi, i ageni frigorifici cu o durat medie i major de utilizare. Ultima grup de ageni frigorifici se divizeaz n dou subgrupe: ageni frigorifici halogenai fr clor (HFC) ct i ageni frigorifici nehalogenai. Din ultima subgrup face parte amoniacul, hidrocarburile saturate sub diferite forme de substane singulare, ct i sub forme de amestecuri.

Fig.5.3 Clasificarea agenilor frigorifici alternativi

Ageni frigorfici de tranziie/deservire (de alternativ pentru CFC)

Freonul R134a a fost primul agent frigorific HFC lipsit de clor testat pe deplin. n prezent este folosit cu succes la multe instalaii frigorifice i de condiionare a aerului. Este utilizat att ca substan pur, ct i n componena a mai multor amestecuri. R134 are proprieti termofizice asemntoare cu ale R12, de aceea, se utilizeaz pentru substituirea lui. Uleiurile tradiionale de tip sintetic i mineral sau dovedit a fi insolubile n raport cu R134a, ceea ce nu permite deplasarea complet prin circuitul de refrigerare. Uleiul ce nu sa dizolvat se oprete n schimbtorul de cldur i va cauza supranclzire, ceea ce va duce la ncetarea funcionrii instalaiei. n urma unei serii de testri insistente au fost descoperii noi lubrifiani cu solubilitate potrivit, care deja sunt utilizai de civa ani. La baza lor st esterpoliolul i poliglicolul (fig. 5.4). Combinaia R134a i ulei pe baz de esteri absoarbe mai mult ap dect combinaia R12 i ulei mineral. Deci este necesar un filtru deshidrator special acesta trebuie s conin site moleculare recomandate pentru structura molecular a freonului R134a.n gama de refrigerare i de condiionare a aerului, de exemplu temperaturile de vaporizare ntre -15 C i +12 C, factorul de putere cu R134a este acelai sau mai bun dect cu R12. n instalaiile frigorifice de congelare, capacitatea frigorific relativ pentru R134a este cu 6 % mai mic la -18 C dect pentru R12. La temperaturi mari de vaporizare, de exemplu +10 C, capacitatea frigorific relativ pentru R134a este cu 6 % mai mare. Temperatura gazului cald este cu circa 8-10 K mai mic pentru R134a. R134a are o structur molecular diferit fa de cea a R12. Aceasta nseamn c R134a scap mai uor prin porii din instalaiile frigorifice. R134a nu este inflamabil sau toxic. La instalaiile ermetice mici, tubul capilar trebuie s fie cu 10-15 % mai lung dect la instalaiile cu R12. n plus, un anumit numr de componente frigorifice trebuie dimensionate dup R134a. Ventilele electromagnetice, ventilele unisens i regulatoarele de presiune trebuie s fie dimensionate pentru fluxul de mas schimbat i pentru cderea de presiune modificat.

Compoziia i unele proprieti termofizice ale agenilor frigorifici alternativi

1 puterea frigorific i presiunea de vaporizare a agentului alternativ variaz considerabil; 2 variaii la temperaturi mai joase de -60C; 3 utilizat i n calitate de component a amestecurilor R290/600a (alternativ direct a R12); 4 valabil pentru comprimarea ntro treapt; 5 punctul triplu la 5,27 bari, 6 temperatura de fierbere, 7 temperatura critic, 8 potenialul de distrugere a ozonului [R11=1,0], 9 potenialul de nclzire global .

12. Schema i ciclul ideal al mainii frigorifice cu comprimare de vapori (MFV) cu o treapt

Pentru obinerea unor temperaturi joase pn la se utilizeaz maini frigorifice cu vapori, care pot fi: cu comprimare ntr-o singur treapt; cu comprimare n dou trepte; cu comprimare n trei trepte; n cascad.

Mainile frigorifice cu comprimare ntr-o singur treapt sunt utilizate pentru obinerea temperaturilor joase pn la . Cu scopul obinerii unor temperaturi mai joase cu ajutorul mainii cu comprimare ntr-o singur treapt se recurge la perfecionarea ciclului prin subrcire avansat a agentului nainte de laminare, introducerea schimbului de cldur regenerativ, utilizarea unor ageni frigorifici cu caracteristici superioare.

Scderea continu a temperaturii de vaporizare impune trecerea la comprimarea n dou trepte, sub maina n dou trepte devine neeconom, astfel nct este necesar trecerea la comprimarea n trei trepte sau n cascad.Superioritatea mainilor frigorifice cu vapori const n aceea c agenii de lucru evolueaz n domeniul vaporilor umezi, ceea ce permite realizarea proceselor izotermice prin vaporizare la preluarea cldurii de la sursa rece i la condensarea la evacuarea cldurii ctre mediul ambiant. n acest mod devine posibil reducerea pierderilor datorit ireversibilitii transferului de cldur ntre agent i cele dou surse de cldur prin meninerea diferenelor de temperatur n limitele acceptabile.

n fig. 6.1 sunt artate schema principial () i ciclul ideal al MFV reprezentat n diagrama ().

Maina const din patru elemente principale: compresorul , condensatorul , detentorul i vaporizatorul . Procesele din care e compus ciclul sunt urmtoarele:

Fig. 6.1. Schema () i ciclul () al MFV

- comprimare adiabat (izentropic) a vaporilor umezi n compresorul care determin creterea presiunii i a temperaturii de la valorile corespunztoare vaporizrii , pn la cele de condensare , . Poziia punctului se alege astfel ca la sfritul procesului de comprimare n compresor s se obin vapori uscai saturai;

- condensarea izobar-izoterm n condensatorul care are loc la presiunea i temperatura , ntruct transferul cldurii ctre mediul ambiant are loc la diferene infinit de mici de temperatur rezult c (temperatura mediu-lui ambiant);

- destinderea adiabat (izentropic) n detentorul care determin scderea presiunii i temperaturii lichidului obinut n condensator de la , pn la , ;

- vaporizarea izobar-izoterm n vaporizatorul care are loc la presiunea i temperatura , transferul de cldur de la sursa rece ctre agent avnd loc la diferene infinit de mici de temperatur rezult c (temperatura la care se obine frigul).ntruct toate procesele care compun ciclul sunt reversibile, atunci n acest caz agentul de lucru va svri n maina frigorific un ciclu Carnot inversat.

Schimburile energetice ale unui de agent cu exteriorul la parcurgerea ciclului se determin apelnd la ecuaiile celor dou principii ale termodinamicii , rezult:

- lucrul mecanic tehnic specific de comprimare n procesul (, , )

.

Acest lucru n diagrama corespunde ariei ;

- sarcina termic specific la condensare n procesul (, , )

.

Sarcina termic specific la condensare n diagrama corespunde ariei ;

- lucrul mecanic tehnic specific de destindere n procesul (, , )

.

Acest lucru n diagrama e echivalent cu aria ;

- puterea frigorific specific la vaporizare n procesul (, , )

.

n diagrama corespunde ariei .Lucrul mecanic (minim) al ciclului se determin pe baza bilanului energetic:

,

i n diagrama corespunde ariei .

Astfel pentru svrirea ciclului inversat i transportarea cldurii de la sursa cu temperatur joas ctre mediul ambiant este necesar s consumm un lucru egal cu .

Eficiena frigorific a ciclului Carnot :

.(6.1)

Aceast relaie demonstreaz c creterea temperaturii de condensare i reducerea temperaturii de vaporizare determin micorarea eficienei frigorifice (coeficientului frigorific) a ciclului Carnot inversat i creterea consumului specific de energie necesar pentru obinerea frigului.

Schema principial a acestei maini i ciclul ei n diagramele i sunt artate n fig. 6.2.n realitate ciclul ideal Carnot nu poate fi realizat practic din urmtoarele motive:

- procesul de comprimare trebuie deplasat n domeniul vaporilor saturai uscai sau supranclzii pentru a evita pericolul loviturii hidraulice i n scopul mbuntirii umplerii cu vapori a cilindrului; lovitura hidraulic are loc cnd agentul de lucru lichid nimerete ntre piston i capacul cilindrului, ce conduce la o avarie grav. Aceast necesit vaporizarea complet a agentului n vaporizator i alimentarea compresorului cu vapori saturai uscai;

- procesul de destindere trebuie nlocuit printr-un proces de laminare ntruct lucrul mecanic care s-ar putea obine n detentor are valori reduse n comparaie cu lucrul mecanic al compresorului, din punct de vedere constructiv aceasta necesit nlocuirea detentorului printr-un ventil de laminare ce conduce la o simplificare a schemei MFV i reducerea cheltuielilor la confecionarea mainii frigorifice, n afar de aceasta nlocuirea detentorului printr-un ventil de laminare conduce la apariia pierderilor ireversibile legate cu procesul de laminare.Procesele funcionale sunt urmtoarele:

- comprimare izentropic n compresorul de la i pn la i ; datorit deplasrii procesului de comprimare din domeniul umed n cel supranclzit temperatura de refulare a vaporilor este superioar temperaturii de condensare considerat egal cu cea a mediului ambiant .Lucrul mecanic specific de comprimare este dat de:

,(6.2)

- procesul const din dou pri: rcirea izobar i condensarea n condensatorul ; sarcina termic la rcire i condensare este dat de:

.(6.3)

Aceast sarcin termic specific n diagrama e echivalent cu aria i n diagrama cu segmentul .

- procesul de laminare n ventilul de laminare determin scderea presiunii i temperaturii de la , pn la , . n condiii adiabate acest proces este izentalpic ();

Fig. 6.2. Schema () i ciclul teoretic al MFV reprezentat n diagramele () i ()

- vaporizarea izobar-izotermic n vaporizatorul este nsoit de realizarea efectului frigorific dat de:

.(6.4)

Puterea frigorific specific corespunde n diagrama ariei i n diagrama segmentului .Pe baza bilanului energetic al ciclului se poate determina lucrul mecanic specific al ciclului:

,(6.5)

ceea ce corespunde n diagrama ariei i n diagrama segmentului .Eficiena frigorific a ciclului cu laminare i supranclzire este dat de:

.

Deplasarea comprimrii n domeniul vaporilor supranclzii i efectuarea destinderii prin laminare determin reducerea eficienei frigorifice a ciclului teoretic cu laminare n raport cu cea a ciclului ideal inversat Carnot. Totodat puterea frigorific specific se micoreaz cu valoarea echivalent cu aria n diagrama i n diagrama cu segmentul , iar lucrul mecanic specific al ciclului crete.Raportul celor doi coeficieni reprezint gradul de reversibilitate al ciclului teoretic fa de cel ideal:

.

Faptul c conduce la concluzia c procesele din care e compus ciclul prezint abateri n raport cu cele ideale, reversibile.

Pentru ca s determinm pierderile ireversibile trebuie s construim ciclul model (ciclul cu lucru minim) pentru ciclul . n ciclul model puterea frigorific specific este egal cu cea a ciclului teoretic, temperatura de condensare i de vaporizare sunt egale respectiv cu cele a mediului ambiant i a sursei reci .

n acest caz ciclul va fi ciclul model (ciclul cu lucru minim) pentru ciclul . Aria va fi echivalent creterii lucrului ciclului din cauza ireversibilitii n procesul de rcire a vaporilor supranclzii (procesul ), datorit diferenei finite scztoare de temperatur care caracterizeaz transferul cldurii de la agent ctre mediul ambiant.

Pentru a determina aceste pierderi ireversibile plasm punctul astfel ca aria (echivalent cantitii de cldur care o primete mediul ambiant).

Atunci aria aria , adic aria este aria echivalent mririi lucrului

.(6.6)

Pierderile determinate de ireversibilitatea intern a procesului de laminare corespund n diagrama ariei , fiindc valoarea lucrului mecanic pierdut n rezultatul nlocuirii procesului de destindere printr-un proces de laminare sunt echivalente cu aria i egale cu aria . Fiindc n procesul de laminare valoarea entalpiei atunci .

.(6.7)Astfel lucrul mecanic specific al ciclului:

,(6.8)

Se constat deci c lucrul mecanic consumat de agent la parcurgerea ciclului se regsete parial n consumul minim de energie necesar pentru realizarea efectului frigorific , restul servind pentru acoperirea pierderilor cauzate de ireversibilitatea extern i intern al ciclului. n aceste condiii, gradul de reversibilitate al ciclului teoretic fa de cel ideal:

.(6.9)E evident c existena pierderilor externe i interne determin majorarea consumului specific de energie al ciclului n raport cu ciclul model Carnot.