1

IFA cu LiBr-H2O

La aceste instalaţii, agentul de lucru este o soluţie apoasă obţinută prin

dizolvarea sării de LiBr în apă. Temperaturile de saturaţie pentru cei doi

componenţi ai soluţiei sunt:

Ct

Ct

sN

sN

100)OH(

1265)LiBr(

2

cu apă ca agent frigorific şi soluţia apoasă de LiBr ca

absorbant.

Spre deosebire de cazul IFA cu NH3 – H2O, terminologia este diferită.

Astfel, compoziţia soluţiei este exprimată prin intermediul concentraţiei în bromură

de litiu din soluţie, adică:

solutie kg

LiBr kg

H2O)Brsolutie(Li de totalăcantitate

(LiBr) absorbantă sare de cantitate

oa

aa

mm

m

m

m

Din acest motiv, soluţia extrasă la partea inferioară a generatorului se

numeşte soluţie bogată în sare de concentraţie M , spre deosebire de IFA cu NH3

– H2O la care se numea soluţie săracă în amoniac m .

Fig.1. Diagrama h- pentru soluţia BrLi-H2O

2

Particularităţi ale diagramelor pentru soluţia de LiBr-H2O

Diferenţa mare dintre temperaturile de saturaţie tsN pentru cei doi

componenţi ai soluţiei LiBr –H2O face ca vaporii degazaţi la generatorul fierbător

G să fie vapori puri de apă supraîncălziţi. Ca urmare, curba care reprezintă stările

vaporilor degazaţi este chiar verticala de concentraţie 0 din diagrama h .

Diagrama h va conţine de ci numai izobare de lichid saturat, izobare

ajutătoare de lichid saturat şi izoterme de lichid. Stările de vapori în echilibru

termodinamic cu stările de lichid saturat se vor determina în acest caz după cum

urmează: să considerăm starea 1’ de lichid saturat aşa încât 11'1 tp . Starea de

vapori de apă în echilibru cu soluţia lichidă cu starea 1’ (deci starea de vapori

saturaţi uscaţi 1”) se determină ridicând o verticală ct'1 din punctul 1’ până la

intersecţia cu izobara ajutătoare p1 şi apoi o orizontală care se va intersecta cu

verticala 0 în punctul 1”.

Fig.2. Diagrama ln ps- (-1/T) pentru soluţia BrLi-H2O

Diagrama ps-t are ca particularitate faptul ca fascicolul de drepte ct

este convergent la partea inferioară. Aceasta se datorează căldurii latente de

vaporizare a soluţiei care este maximă pentru apă, deci atunci când 0 , şi deci

panta acestei drepte va fi cea mai mare.

3

Particularităţi în funcţionarea şi construcţia instalaţiei

Deoarece agentul frigorific utilizat este apa, pentru a obţine temperaturile de

vaporizare to dorite, este necesar ca instalaţia să funcţioneze în vacuum adânc.

Deoarece, de exemplu pentru ca să fiarbă la to = 6oC apa are nevoie de o presiune

bar 750

7 Hg mm 7)6( Ctpp oso

, rezultă că din punct de vedere tehnic,

utilizarea acestei instalaţii este limitată la temperaturi de vaporizare Cto

8...6 ;

la temperaturi de vaporizare mai coborâte etanşările la vid sunt imposibil de

realizat. Pătrunderea aerului exterior în instalaţie poate avea ca efect scăderea

puterii frigorifice, apariţia fenomenului de cristalizare a sării din soluţie urmat de

înfundarea circuitelor instalaţiei.

Avantajele sistemelor frigorifice cu BrLi- H2O apar totuşi din faptul că:

- nu necesită coloană de rectificare şi deflegmator

- agentul de lucru nu este toxic şi nici inflamabil sau explozibil, deci

instalaţia nu necesită supraveghere specială

- presiunile din instalaţie sunt reduse, ceea ce conduce la un consum de

metal mai mic; de aceea este posibilă o construcţie compactă, cu toate

aparatele plasate într-o singură carcasă monobloc.

Dezavantajele sistemelor frigorifice cu BrLi-H2O se datorează faptului că:

- vidul adânc din instalaţie presupune etanşări speciale şi scumpe

- soluţia are acţiune corozivă puternică şi de aceea ţevile generatorului de

vapori şi ale absorbitorului se fac din aliaje cu nichel; agresivitatea soluţiei

poate fi diminuată prin folosirea inhibitorilor de coroziune , respectiv prin

asigurarea în soluţie a unei concentraţii minime de 0,8 % cromat de litiu

( 42CrOLi ) şi 0,1 % hidroxid de litiu ( LiOH ).

4

Schema şi ciclul teoretic al IFA cu LiBr-H2O

5

Fig.3 Schema şi ciclul teoretic al IFA cu LiBr-H2O

Descrierea funcţionării şi proceselor din instalaţie

S-a notat cu 1 starea soluţiei sărace în sare (bogată în apă) la intrarea în

generatorul de vapori G. Datorită încălzirii şi fierberii soluţiei în G se degajă

vapori de apă supraîncălziţi care au starea 2. În timpul procesului de fierbere,

soluţia îşi modifică starea de la 2’ la 3’ în sensul creşterii concentraţiei în sare (şi a

scăderii concdentraţiei în apă).

Vaporii supraîncălziţi de apă cu starea 2 pătrund în condensatorul Cd şi

condensează. Starea agentului frigorific la ieşirea din condensator este 4.

Laminarea agentului frigorific se face într-un dispozitiv de laminare DL

numit zăvor hidraulic care are forma unei conducte calibrate. Deoarece procesul de

laminare este izentalpic, va fi reprezentat punctiform în h , respectiv 54 .

Agentul frigorific (apa) pătrunde în vaporizatorul Vp unde prin fierbere

produce efect frigorific conform procesului 5-6.

Soluţia rămasă în generatorul G, cu starea 3’ este laminată până la starea 7

şi se amestecă în absorbitor cu vaporii de apă reci cu starea 6. La ieşirea din

absorbitor, soluţia săracă în sare (bogată în apă) cu concentraţia m şi starea 9’

este preluată de pompa P care alimentează generatorul fierbător.

6

Procesul din absprbitor este 7-8-9’ este modelat în două etape:

- 7-8 răcirea soluţiei la contactul cu vaporii reci de apă cu starea 6

- 8 – 9’ procesul propriu-zis de absorbţie al vaporilor reci de apă cu

scăderea concentraţiei de sare de la M la m .

Intervalul de degazare trebuie să respecte condiţia

045,0...035,0mMteoretic

Stabilirea principalelor temperaturi, presiuni şi concentraţii din ciclul frigorific

grd 4...2 ;

grd 4...2 ;

grd 4...2 ;

ggagentGe

cAbe

ccwec

VpVpreo

tttt

tt

tttt

tttt

Din tabelele de apă şi abur se vor citi presiunile de saturaţie:

)(

)(

2

2

cOsHc

oOsHo

tpp

tpp

Pentru a determina M şi m se vor fixa în diagrama h punctele:

mAbAbe

McGe

pt

pt

)()()'9(

)()()'3(

Se calculează intervalul de degazare şi se verifică:

045,0...035,0mMteoretic

Fixarea punctelor caracteristice ale ciclului în h ; Determinarea mărimilor de

stare

)()()'9( AbAbe pt se citeşte '9h

'2)()()'2( hpgm

'3)()()'3( htp Geg

7'3)7'3( hh dar '37 tt se poate citi din diagrama tps

)()()( FcpF unde 2

'3'2F

Punctul 2 se fixează cu ajutorul izobarei ajutătoare cp , rezultând astfel 2h

7

)0()()4( ct

45)45( hh dar otttt 545 ; se poate citi din diagrama tps

)"()()6( op unde 0"

om

mf

- factorul de circulaţie şi

aplicând ecuaţie de bilanţ material de LiBr la generatorul G se obţine f astfel:

Moom mmmm )(" din care rezultă

Mm

Mf"

; dar 0" şi atunci mM

Mf

Calculul debitelor din instalaţie

Debitul prin vaporizator:

56 hh

Q

q

Qm o

o

oo

Debitul total:

omfm

Sarcinile termice ale aparatelor schimbătoare de căldură

Sarcina termică a condensatorului:

)( 42 hhmqmQ ococ

Sarcina termică a generatorului rezultă din ecuaţia de bilanţ termic pe

generator:

'321 )( hmmhmhmQ oog

)(

)1(

1'3'32

'321

hhfhhq

hfhhfqm

Qq

g

g

o

g

g

8

Sarcina termică a absorbitorului rezultă din ecuaţia de bilanţ termic pe

absorbitor:

'976 )( hmQhmmhm Aboo

)( '9776 hhfhhqm

Qq Ab

o

AbAb

Puterea consumată de pompa de lichid

m

ocP

ppmP cu presiunile exprimate în kPa

Ecuaţia de bilanţ energetic:

AbcPog QQPQQ

Coeficientul de performanţă:

[-] g

o

Pg

o

Q

Q

PQ

QCOP

9

Schema cu recirculare şi ciclul real al IFA cu LiBr-H2O

Fig.4. Schema IFA cu LiBr-H2O cu recirculare

10

Fig. 5. Ciclul real în h-

Fig. 6. Ciclul real în coordonate ln ps-(-1/T)

11

Descrierea funcţionării şi proceselor din instalaţie

S-a notat cu 1a starea soluţiei sărace în sare (bogată în apă) la intrarea în

generatorul de vapori G. Datorită încălzirii şi fierberii soluţiei în G se degajă

vapori de apă supraîncălziţi care au starea 2. În timpul procesului de fierbere,

soluţia îşi modifică starea de la 2’ la 3’ în sensul creşterii concentraţiei în sare (şi a

scăderii concdentraţiei în apă).

Vaporii supraîncălziţi de apă cu starea 2 pătrund în condensatorul Cd şi

condensează. Starea agentului frigorific la ieşirea din condensator este 4.

Laminarea agentului frigorific se face într-un dispozitiv de laminare DL

numit zăvor hidraulic care are forma unei conducte calibrate. Deoarece procesul de

laminare este izentalpic, va fi reprezentat punctiform în h , respectiv 54 .

Agentul frigorific (apa) pătrunde în vaporizatorul Vp unde prin fierbere

produce efect frigorific conform procesului 5-6. Pompa de recirculare P3 de la

vaporizator are 2 funcţiuni:

- intensifică transferul de căldură între mediul răcit şi agentul frigorific

- evită creşterea presiunii po din vaporizator prin creşterea coloanei de lichid

din acest aparat.

Soluţia rămasă în generatorul G, cu starea 3’ este extrasă cu ajutorul

pompei P1 şi e introdusă într-un schimbător de căldură recuperator RC numit şi

economizor. În RC, soluţia bogată în sare, de concentraţie M se răceşte până la

3a, după care se amestecă cu debitul recirculat la absorbitorul Ab, în punctul N.

Pentru simplificarea reprezentării grafice, s-a neglijat creşterea de entalpie a

soluţiei în pompa P1.

La ieşirea din absorbitor, soluţia săracă în sare (bogată în apă) cu

concentraţia m şi starea 9’ este preluată de P2 şi expediată pe 2 circuite separate,

şi anume:

- debitul m de concentraţie m , dirijat spre RC

- debitul mmm Abrec tot de concentraţie m , recirculat la absorbitor,

toate aceste debite având starea 1.

Debitul recirculat recm , m se combină în nodul N cu soluţia bogată în

sare omm , M care are starea 3. Se obţine astfel debitul de amestec oAb mm ,

am .

Dacă se neglijează variaţia entalpiei agentului în pompa P2, rezultă că

starea 1 (la ieşirea din P2) va fi identică cu starea 9’ la intrarea în P2.

Înainte de a fi introdus din nou în absorbitorul Ab, debitul rezultat prin

amestecare în nodul N, oAb mm , am este laminat în VL’ până la starea 8.

Procesul din absprbitor este 8-10-9’ modelat în două etape:

- 8-10 răcirea soluţiei la contactul cu vaporii reci de apă cu starea 6

- 10 – 9’ procesul propriu-zis de absorbţie al vaporilor reci de apă cu

12

scăderea concentraţiei de sare de la am la m .

Se notează cu a factorul de recirculare la absorbitor Ab:

)50(20...15o

Ab

o

rec

m

mm

m

ma

Recircularea unei fracţiuni din debitul de soluţie la absorbitor are ca scop:

- intensificarea procesului de absorbţie (care se produce cu viteză mai mică

decât la soluţia NH3 – H2O)

- evitarea creşterii presiunii din absorbitor datorită creşterii înălţimii

coloanei de lichid.

Datorită ordinului de mărime al lui po, trebuie luate în calcul şi pierderile

hidraulice de presiune pe traseul dintre vaporizator Vp şi absorbitor Ab, deoarece

Hg mm 8,0....5,0)( Abopierderi ppp

Observaţie : La IFA cu NH3 – H2O, ordinul de mărime al presiunii de vaporizare

este bar 23oNHp pe când la IFA cu LiBr – H2O este Hg mm 82OoHp aşa

încât pierderile hidraulice nu mai pot fi neglijate.

Din cauza pierderilor de presiune, presiunea reală la care are loc procesul

de degazare a vaporilor de apă în G este pg > pc aşa încât starea reală a soluţiei

bogate în sare la ieşirea din G nu este 3’, ci 3*. Rezultă o îngustare a intervalului de

degazare teoreticreal , aşa încât:

025,0...023,0*

MMM

mMteoretic din care rezultă

045,0...035,0*

mMMteoreticreal

Calculul termic al IFA cu LiBr – H2O

Stabilirea principalelor temperaturi, presiuni şi concentraţii din ciclul frigorific

grd 4...2 ;

grd 4...2 ;

grd 4...2 ;

ggagentGe

cAbe

ccwec

VpVpreo

tttt

tt

tttt

tttt

Din tabelele de apă şi abur se vor citi presiunile de saturaţie:

Hg mm )8,0...5,0(

)(

)(

2

2

opierderioAb

cOsHc

oOsHo

pppp

tpp

tpp

13

Pentru a determina M şi m se vor fixa în diagrama h punctele:

mAbAbe

McGe

pt

pt

)()()'9(

)()()'3(

Se calculează intervalul de degazare:

mMteoretic

Se alege: 045,0...035,0025,0*

MteoreticrealMMM

Fixarea punctelor caracteristice ale ciclului în h ; Determinarea mărimilor de

stare

)()()1'9( AbAbe pt se citesc '91,hh cu observaţia că Abettt 1'9

'2)()()'2( hpgm

'3)()()'3( htp Geg

)()(*)3( *

MGet unde *3

* hMMM

Impunând diferenţa de temperatură la capătul dinspre absorbitor al recuperatorului

RC se obţine punctul 3a:

RCa ttt 13 unde se impune grd 15...12RCt , condiţie necesară pentru ca

t3a să fie suficient de departe de limita de cristalizare (mai ales că soluţia care se

răceşte de la 3 la 3a este o soluţie bogată în sare). Se fixează:

aaM hta 33 )()()3(

2.42. Variaţia temperaturilor în RC

Punctul 7 se va determina aplicând ecuaţie de bilanţ termic pe nodul N:

14

731 )()()( hmmhmmhmm oAbaoAb

Dacă se notează:

om

mf

- factorul de circulaţie şi

o

rec

m

ma

- factorul de recirculare la absorbitor Ab,

aplicând ecuaţie de bilanţ material de LiBr la generatorul G se obţine f astfel:

Moom mmmm )(" din care rezultă

Mm

Mf"

; dar 0" şi atunci mM

Mf

factorul de recirculare la absorbitor se alege:

20....15a

Dacă se exprimă oAboAb mmmmmm , se obţine:

1

)1( 317

fa

hfahh a

Din ecuaţia de bilanţ material de LiBr pe nodul N:

1

)1()()()(

fa

fammmmmm Mm

amamoAbMomAb

)()()7( 7 amh

)78( în h deoarece laminarea este izentalpă dar 78 tt ; Abitt8 se

poate determina din diagrama tps fixând punctul )()()8( amAbp

În h se vor fixa în continuare:

)()()( FcpF unde 2

'3'2F

Punctul 2 se fixează cu ajutorul izobarei ajutătoare cp , rezultând astfel 2h

)0()()4( ct

45)45( hh dar otttt 545 ; se poate citi din diagrama tps

)"()()6( op unde 0"

Din ecuaţia de bilanţ termic pe schimbătorul de căldură RC se determină

1a:

f

hhfhhhhmhhmm a

aaao

))(1()())(( 33

111133

15

Pentru determinarea temperaturii t1a se scriu diferenţele de entalpie în

funcţie de temperatură şi de căldurile specifice:

)(

)(

1111

3333

ttchh

ttchh

apma

apMa

Considerând valori egale pentru căldura specifică a soluţiei sărace şi pentru

cea a soluţiei bogate (cpm = cpM ) se obţine:

f

ttftt a

a

))(1( 3311

Se verifică apoi condiţia ca 31 tt a şi dacă este cazul se corectează t1a

după care se fixează în diagramă

)()()1( 11 aa hta

Calculul debitelor din instalaţie

Debitul prin vaporizator:

56 hh

Q

q

Qm o

o

oo

Debitul recirculat:

o

oAbrec

mfm

mammm

Sarcinile termice ale aparatelor schimbătoare de căldură

Sarcina termică a condensatorului:

)( 42 hhmqmQ ococ

Sarcina termică a generatorului rezultă din ecuaţia de bilanţ termic pe

generator:

'321 )( hmmhmhmQ ooag

16

)(

)1(

1'3'32

'321

ag

ag

o

g

g

hhfhhq

hfhhfqm

Qq

Sarcina termică a absorbitorului rezultă din ecuaţia de bilanţ termic pe

absorbitor:

'986 )( hmQhmmhm AbAboAbo

)()( '98'9886 hhfhhahhqm

Qq Ab

o

AbAb

Ecuaţia de bilanţ energetic:

Abcog QQQQ

Coeficientul de performanţă:

[-] 321 g

o

PPPg

o

Q

Q

PPPQ

QCOP