PROIECT DE LICENTA 99%

Verificarea funcţionării unei instalaţii frigorificecu compresie într-o treaptă

UNIVERSITATEA BACAU

SPECIALIZAREA : M

PROIECT DE LICENŢĂ

Verificarea funcţionării unei instalaţii

frigorifice cu compresie într-o

treaptă

Conducător : sl.dr.ing. GRIGORE ROXANA Absolvent : GRIGORI MIHAIŢĂ


2009

PROIECT DE LICENŢĂ

Verificarea funcţionării unei instalaţii

frigorifice cu compresie într-o

treaptă

Conducator : sl.dr.ing. GRIGORE ROXANA Absolvent : GRIGORI MIHAITA

proiect


2009

Verificarea funcţionării unei instalaţii frigorifice CUPRINScu compresie într-o treaptă

CUPRINS

1.INTRODUCERE 5

1.1.Domenii de utilizare ale temperaturilor scazute 7

2.INSTALATII FRIGORIFICE 8

2.1.Principiul de functionare al instalatiilor frigorifice 8

2.2.Clasificarea instalatiilor frigorifice 9

2.3.Agenti frigorifici 11

2.3.1.Consideratii generale 11

2.3.2.Tipuri de agenti frigorifici 13

2.4.Instalatia frigorifica cu compresie mecanica de vapori intr-o

treapta I.F.C.M.-prezentare generala 18

2.4.1.Ciclul ideal 19

2.4.2.Ciclul teoretic cu comprimare in domeniul de vapori

supraincalziti 20

2.4.3.Ciclul frigorific real 26

3.DETERMINAREA CARACTERISTICILOR PRINCIPALE ALE

UNEI INSTALATII FRIGORIFICE CU COMPRESOR 28

3.1.Notiuni generale 28

3.2.Descrierea instalatiei 29

3.3.Mod de functionare 33

3.4.Calcule efectuate 354

Verificarea funcţionării unei instalaţii frigorifice CUPRINScu compresie într-o treaptă

BIBLIOGRAFIE 38

ANEXE 39

5

Verificarea funcţionării unei instalaţii frigorifice 1. Introducerecu compresie într-o treaptă

1.INTRODUCERE

În istoria frigului artificial, anul 1755-când William Cullen a realizat un aparat de

produs gheaţa artificială prin evaporarea apei la presiune scăzută-poate fi considerat ca anul

de naştere al frigului artificial.

Principalele etape în evoluţia frigului artificial, în cele peste 2 secole cât au trecut

de la începuturile lui,pot fi sintetizate astfel:

» Cercetările sistematice asupra lichefierii gazelor, datorate lui M. Faraday,

începând cu anul 1823,ca şi cercetările de termodinamică care încep în anul 1824 prin

activitatea lui S. Carnot şi se extind între anii 1842-1852, au fost hotărâtoare în realizarea

primelor utilaje frigorifice.

» Inventarea în anul 1834 a maşinii frigorifice cu compresie de vaporizare de

vapori lichefiabili-de către J. Perkins şi pusă la punct de J. Harrison, în 1856, este consecinţa

directă a cercetărilor menţionate anterior precum şi realizării pompei de vid de către Guericke

în anul 1672.

» Inventarea maşinii frigorifice prin absorţie, de către Ferdinand Carre în anul

1859, care cunoaşte curând o dezvoltare industrială, ca şi inventarea maşinii frigorifice cu

compresie şi destindere de aer, de către Kirk în anul 1862, reprezintă două etape importante

în evoluţia frigului artificial.

» Inventarea maşinii de fabricat gheaţă prin vaporizarea apei în vid, care intră în

practica comercială în anul 1866 cu aparatul lui Edmond Carre-fratele lui Ferdinand- poate fi

considerată ca un punct de plecare pentru o altă etapă în producerea frigului artificial. Spre

deosebire de maşina lui Cullen din anul 1755,care funcţiona cu o pompa de vid, aparatul lui

E. Carre funcţiona si cu absorţia vaporilor de apă de către acidul sulfuric, aflat într-un

recipient anume.

6


» Cercetările de termodinamică iniţiate de S. Carnot din anul 1824, care sunt

aprofundate de C.Linde începând din anul 1870, ca şi studiul asupra fluidelor frigorigene dau

un nou avânt realizărilor in producerea frigului artificial.

» În anul 1876, francezul Charles Tellier instalează un agregat frigorific cu

compresie pe un vapor, utilizând alcool metilic, cu care a facut primele transporturi de carne

între Argentina si Franţa.

» Intrarea în acţiune a altor fluide frigorifice-în locul eterului etilic si metilic, fluide

cu pericol de explozie- ca dioxidul de carbon, dioxidul de sulf si amoniacul, hotărăsc apariţia

primului compresor cu amoniac realizat în anul 1876; este momentul din care începe să se

dezvolte cu prioritate maşinile cu compresie de vapori lichefiabili, în special cu amoniac.

» După anul 1900, maşinile frigorifice sunt produse la scară industrială, iar frigul

artificial se extinde practic în toate sectoarele vieţii economice. Ca urmare, în anul 1929,

americanul Clarence Birdseye a înregistrat brevetul pentru congelarea produselor alimentare

şi aproape concomitent au apărut frigiderele gospodăreşti.

» După primul război mondial se dezvolă în mod rapid folosirea frigului în

industria alimentară; apare industria produselor congelate,depozitele de păstrare frigorifică şi

se fac cercetări pentru păstrarea în atmosferă controlată şi cercetări pentru liofilizarea unor

alimente, această limitată însa din cauza costurilor ridicate.După al doilea război mondial se

dezvoltă industria frigorifică atât in sfera producţiei-instalaţii de congelare, refrigerare şi

depozitare cât şi în sfera desfacerii (vehicule frigorifice, vitrine frigorifice, refrigeratoare şi

congelatoare casnice).

» După cum se poate constata,industria frigului de abia a depăşit 100 de ani de la

apariţie, iar cea a congelării alimentelor a ajuns la jumătate de secol. Cu toate acestea, într-o

perioadă atât de scurtă,progresele sunt spectaculoase. Producţia de consum de alimente

congelate a crescut neîncetat în anii de dupa razboi, astăzi, în multe ţari, alimentele congelate

intrând curent în alcătuirea meniurilor zilnice.

7


1.1 Domenii de utilizare a temperaturilor scăzute

Tehnica frigului analizează fenomene şi procese care au loc între cca. + 100°C şi

0°K (– 273,15°C), stabileşte procedee de calcul şi soluţii constructive pentru realizarea unei

game de maşini şi instalaţii care lucrează într-un domeniu larg de temperaturi:

-(+ 40 … + 100)°C – pompe de căldură;

-(± 0 … + 5)°C – instalaţii de climatizare şi condiţionarea aerului;

-(– 200 … ± 0)°C – instalaţii în domeniul frigului industrial;

- în industria chimică, de exemplu, domeniul acoperă inclusiv procesele de

lichefiere a aerului şi separare a unora din componentele sale;

- în industria alimentară, există aplicaţii până la temperaturi de cca. –30°C.

(0K … – 200°C) – criogenie sau frig adânc;

- limita superioară de la care se consideră că începe domeniul criogeniei nu

este precis definită, dar diferiţi autori consideră această limită ca fiind:

77K = – 196°C – temperatura de fierbere a azotului;

80K = – 193°C – temperatura de fierbere a aerului;

120K = – 153°C – temperatura de fierbere a metanului.

8

Verificarea funcţionării unei instalaţii frigorifice 2. Descrierea instalaţiilorcu compresie într-o treaptă frigorifice cu compresie într-o treaptă

2.INSTALAŢII FRIGORIFICE

2.1 Principiul de funcţionare a instalaţiilor frigorifice

Instalaţiile frigorifice sunt maşini termice care au rolul de a prelua căldura de la un

mediu având temperatura mai scăzută şi de a o ceda unui mediu având temperatura mai

ridicată, aşa cum se observă şi pe schema energetică din figura 1.1. Acesta poate să fie

considerat cel mai simplu model de instalaţie frigorifică, deoarece nu conţine nici un element

de natură constructivă. Din acest punct de vedere poate să fie asimilat cu o "cutie neagră", a

cărei funcţionare va fi analizată în continuare şi care urmează să fie deschisă pentru a i se

studia componenţa şi a i se releva secretele de proiectare, exploatare şi automatizare.

Mediul cu temperatura mai scăzută, de la care se preia căldură este denumit sursa

rece, iar mediul cu temperatura mai ridicată, căruia i se cedează căldură, este denumit sursa

caldă. Este cunoscut că având capacitate termică infinită, temperaturile surselor de căldură

rămân constante chiar dacă acestea schimbă căldură. Fluxul de căldura absorbită de la sursa

rece a fost notat cu Q0 , iar fluxul de căldură cedată sursei calde, a fost notat cu Qk .

Conform principiului doi al termodinamicii, pentru transportul căldurii, în

condiţiile prezentate, este necesar şi un consum de energie, notat cu P. În cazul instalaţiilor

frigorifice, sursa rece se găseşte sub temperatura mediului ambiant, iar procesul de coborâre a

temperaturii sub această valoare, este denumit răcire artificială.

Fig. 2.1 Schema energetică a

Qk instalaţiilor frigorifice şi a

P pompelor de căldură

Q0

P

9

SURSA

CALDA

SURSA

RECE

INSTALATIE

FRIGORIFICA


2.2 Clasificarea instalaţiilor frigorifice

Instalaţiile frigorifice se pot clasifica după: nivelul de temperaturi obţinute,

principiul de funcţionare, tipul ciclului in periodicitate.

a) După nivelul de temperaturi obţinute se pot deosebi:

- domeniul climatizării în care frigul produs la temperaturi în general peste 0°C,

este utilizat în scopuri de confort sau tehnologie

- domeniul frigului moderat (frigul industrial) care acoperă zona temperaturilor

(-1500C - 0°C)

- domeniul frigului adânc (criogeniei) unde temperaturile ajung pană la aproape de

zero absolut (-273,15 °C).

b) După principiul de funcţionare :

- instalaţii cu comprimare mecanică, antrenate de motoare electrice sau termice,ce

folosesc proprietăţi elastice ale vaporilor sau gazului;

- instalaţii cu absorbţie ce folosesc ca principiu reacţiile chimice evoterne şi

andoterne dintre un solvent şi un dizolvant. Acestea se pot subclasifica astfel:

- instalaţii cu absorbţie, la care procesele au loc la limita de separare dintre faza

lichidă şi faza gazoasă;

- instalaţii cu absorbţie, la care procesul de sorbţie are loc la suprafaţa

absorbantului în fază solidă. Aceste instalaţii folosesc ca şi potenţial motor energia termică.

- instalaţii cu jet ce utilizează energie cinetică a unui jet de gaz sau de vapori.

Aceste instalaţii frigorifice se subclasifică:

- cu ejecţie unde presiunea dinamică jetului creează o depresiune in vaporizator

10


- cu turbionare unde jetul de gaz produce un vârtej cu efect de creare a unui

gradient termic

- instalaţii termoelectrice ce folosesc efectul Pèltiér la trecerea curentului electric

prin sisteme formate din două metale diferite, cand se produc incălziri şi răciri la locul de

sudare al metalelor;

- instalaţii magnetice ce utilizează proprietatea corpurilor magnetice de a-şi mări

temperatura la magnetizare şi a o reduce la demagnetizare.

c) După tipul ciclului de funcţionare

- instalaţii în circuit închis la care agentul de lucru parcurge succesiv elementele

unui circuit închis;

- instalaţii in circuit deschis la care după ce agentul parcurge părţi din instalaţie

este extras parţial sau total din aceasta.

d) După periodicitate

- instalaţii cu funcţionare discontinuă in regim nestaţionar care funcţionează

intermitent sau un singur aparat are mai multe roluri;

- instalaţii cu funcţionare continuă caracterizate prin aceea că sistemul se găseşte in

funcţionare permanentă la sarcina nominală.

Agentul de lucru, care evoluează în aceste instalaţii, este denumit agent frigorific.

Pentru a putea să preia căldură de la sursa rece, agentul frigorific trebuie să aibă

temperatura mai mică decât aceasta.

În timpul preluării de căldură de la sursa rece, agentul frigorific se poate comporta

în două moduri diferite:

- se poate încălzi mărindu-şi temperatura;

- poate să-şi menţină temperatura constantă.

11


2.3 Agenţii frigorifici

2.3.1 Consideraţii generale

Agenţii termodinamici de lucru din instalaţiile frigorifice şi pompele de căldură,

preiau căldură prin vaporizare şi cedează căldură prin condensare, la temperaturi scăzute sau

apropiate de ale mediului ambiant, deci trebuie să aibă unele proprietăţi particulare, care îi

deosebesc de agenţii termodinamici din alte tipuri de instalaţii. Din acest motiv poartă şi

denumirea de agenţi frigorifici.

Proprietăţile agenţilor frigorifici sunt impuse de schema şi tipul instalaţiei, precum

şi de nivelurile de temperatură ale celor două surse de căldură. Câteva dintre aceste

proprietăţi sunt următoarele:

- presiunea de vaporizare trebuie să fie apropiată de presiunea atmosferică şi uşor

superioară acesteia, pentru a nu apare vidul în instalaţie;

- presiunea de condensare trebuie să fie cât mai redusă, pentru a nu apare pierderi

de agent frigorific şi pentru a se realiza consumuri energetice mici în procesele de

comprimare impuse de funcţionarea acestor instalaţii;

- căldura preluată de un kilogram de agent, prin vaporizare, trebuie să fie cât mai

mare,pentru a se asigura debite masice reduse;

- căldura specifică în stare lichidă trebuie să fie cât mai mică, pentru a nu apare

pierderi mari prin ireversibilităţi interne, în procesele de laminare adiabatică;

- volumul specific al vaporilor trebuie să fie cât mai redus, pentru a se obţine

dimensiuni de gabarit reduse, ale compresoarelor;

- să nu prezinte pericol de inflamabilitate, explozie şi toxicitate;

- să nu fie poluanţi (este cunoscut faptul că unii agenţi frigorifici clasici şi anume

câteva tipuri de freoni, contribuie la distrugerea stratului de ozon al stratosferei terestre).

Pentru a nu se utiliza denumirile chimice complicate ale acestor substanţe, agenţii

frigorifici au fost denumiţi freoni, sunt simbolizaţi prin majuscula R, (de la denumirea în

limba engleză - Refrigerant) şi li s-a asociat un număr care depinde de compoziţia chimică.

Unii dintre cei mai utilizaţi agenţi frigorifici sunt prezentaţi în tabelul 1.1, împreună cu

temperatura normală de vaporizare şi indicele transformării adiabatice.

12


Tabelul t2.3.1 Principalii agenti frigorifici

Se observă că aceşti agenţi au proprietatea de a fierbe la temperaturi scăzute,

putând deci să absoarbă căldură la temperaturi mai mici decât ale mediului ambiant.

Istoricul fluidelor frigorifice începe în anul 1834, când americanul Jacob Perkins

brevetează o maşină frigorifică funcţionând prin comprimare mecanică de vapori, utilizând ca

agent frigorific oxidul de etil. Utilizarea unei asemenea maşini s-a dovedit rapid limitată de

nivelul ridicat de inflamabilitate al acestui agent.

În 1876 Carl von Linde, datorită utilizării amoniacului ca agent frigorific, permite

adevărata dezvoltare a instalaţiilor frigorifice prin comprimare mecanică de vapori.

În 1880, introducerea unui nou agent frigorific, anhidrida carbonică, reprezintă

începutul utilizării instalaţiilor frigorifice pentru îmbarcarea la bordul navelor a produselor

alimentare.

În 1920, prin utilizarea anhidridei sulfuroase şi a clorurii de metil, apar primele

maşini frigorifice de uz casnic sau comercial.

Începând din 1930, apar primele hidrocarburi fluorurate şi clorurate (CFC).

Datorită caracteristicilor foarte interesante din punct de vedere termodinamic şi datorită marii

lor stabilităţi atât termice cât şi chimice, utilizarea acestora va aduce o ameliorare

considerabilă atât a fiabilităţii cât şi a siguranţei în funcţionare a instalaţiilor frigorifice cu

compresie mecanică.

13

Denumire Temp. normala k

de vaporizare[ °C ] [-]

Amoniac(R717)

R12

R22

Clorură de metil

R502

CO2

R134a

– 33,35 1,30

– 29,80 1,14

– 40,84 1,16

– 23,74 1,20

– 45,60 -

– 78,52 1,30

– 26,42 1,14


Aşa se explică de ce în comparaţie cu amoniacul şi clorura de metil, aceste

substanţe poartă denumirea de agenţi frigorifici de siguranţă.

În numeroase ţări, pe lângă denumirea de freoni, agenţii frigorifici pot fi întâlniţi şi

sub diverse denumiri comerciale, care pentru acelaşi produs diferă de la ţară la ţară şi de la un

producător la altul. R12 de exemplu, este numit Forane 12 (denumirea comercială a Uzinei

Kuhlmann din Franţa), Flugene 12 (denumirea comercială a firmei Pechine Saint-Gobain din

Franţa), sau Genetron 12 (denumirea comercială a societăţii Allied Chemical din S.U.A.). În

unele publicaţii ştiinţifice, chiar şi denumirea de freoni, pentru desemnarea agenţilor

frigorifici, este considerată comercială.

2.3.2 Tipuri de agenţi frigorifici

La ora actuală numărul foarte mare de agenţi frigorifici este datorat şi problemei

atât de mediatizate şi discutate în ultimii ani, a poluării produse de aceşti freoni. De fapt este

vorba de un proces care se produce în stratosfera terestră şi care va fi prezentat mult

simplificat în continuare.

Sub acţiunea razelor ultraviolete provenite de la soare, din moleculele freonilor se

eliberează Cl (clor monoatomic). Acesta reacţionează chimic cu ozonul (O3) care se găseşte

în stratosferă şi rezultă oxigen biatomic O2 şi oxizi de clor. În acest mod, se distruge treptat

stratul de ozon al planetei, având un binecunoscut rol protector prin filtrarea radiaţiilor

ultraviolete, nocive pentru sănătatea umană. Problema este cu atât mai gravă cu cât oxizii de

clor rezultaţi din reacţia descrisă, nu sunt stabili şi se descompun, eliberând din nou Cl. Se

produc astfel reacţii în lanţ, prin care un singur atom de Cl poate să distrugă un număr

impresionant de molecule de O3. Aşa se explică apariţia, deocamdată deasupra celor doi poli

ai planetei a aşa numitelor găuri în statul de ozon. Fenomenul a fost posibil cu atât mai mult

cu cât nu numai freonii, prin atomii de Cl, ci şi alte substanţe chimice, în primul rând CO2, au

efecte asemănătoare.

În prezent există în întreaga lume, numeroase instalaţii de puteri frigorifice mici şi

mijlocii încărcate cu agenţi frigorifici poluanţi (în sensul pericolului pentru stratul de ozon),

care pun în continuare probleme legate de posibila lor "scăpare" în atmosferă. Totodată se

pune problema găsirii unor agenţi de substituţie care să fie utilizaţi în instalaţiile frigorifice

noi.

Agenţii frigorifici pot fi împărţiţi în trei mari categorii:

14


- CFC (clorofluorocarburi), freonii clasici, care conţin Cl foarte instabil în

moleculă;

- HCFC (hidroclorofluorocarburi), freoni denumiţi de tranziţie, care conţin în

moleculă şi hidrogen, iar Cl este mult mai stabil şi nu se descompune atât de uşor

sub acţiunea radiaţiilor ultraviolete;

- HFC (hidrofluorocarburi), consideraţi freoni de substituţie definitivă, care nu

conţin deloc în moleculă atomi de Cl.

În afara celor trei categorii de agenţi frigorifici menţionate, există şi agenţi

frigorifici naturali, între care amoniacul (NH3), simbolizat şi prin R117, este cel mai

important şi cel mai utilizat, datorită proprietăţilor sale termodinamice care îl fac cel mai

performant agent frigorific din punct de vedere al transferului termic.

Agenţii utilizaţi în instalaţiile frigorifice, permit obţinerea unei plaje foarte largi de

temperaturi, de la –20°C până la –100°C, sau chiar mai scăzute în anumite cazuri particulare.

Evident, aceste temperaturi nu pot să fie realizate cu un acelaşi agent frigorific,

pentru fiecare domeniu de temperaturi existând anumiţi agenţi frigorifici specifici

recomandaţi.

Tabel t2.3.2 Domenii de utilizare a agenţilor frigorifici

UtilizareAgent

frigorific

Agenţi de

tranziţie

Agenţi consideraţi

definitivi

Aparate casnice R12

R401A (MP39)

R409A (FX56)

R134a

R290 (Propan)

R600a (Izobutan)

Răcitoare de apăR11

R12

R114

R22

R117 (NH3)

R123

R142b

R22

R134a

R404A

R117 (NH3)

Frig comercial

(temperaturi

pozitive)

R12

R401A (MP39)

R409A (FX56)

R22

R134a

R404A

R507A

15


R413A

Frig comercial

(temperaturi

negative)

R502

R402A (HP80)

R408A (FX10)

R403B

R22

R404A

R125

AZ50 – R407B

Frig industrialR717 (NH3)

R22 R22

R717 (NH3)

R404A

Frig adâncR13B1

R13

R503

ES20

R23

R32

ClimatizareR22

R500 R409B (FX57)

R401B HP66)

R124a

R407C

Klea 66

Aer condiţionat

auto

R12

R500

R401C (MP52)

R409B (FX57)

R401B (HP66)

R134a

Tabelul t2.3.3 Caracteristicile fizice ale principalilor agenti frigorifici

Denumirea Simbol

chimic

Simbol

conventional

Masa

molara

Constanta

de gaz

perfect

[J/(kgK)]

Densitate

[kg/m3N]

Temperatura

de topire [oC]

Bioxid de

carbon

CO2 - 44,01 189,0 1,97 -56,6

Amoniac NH3 R171 17,03 488,3 0,771 -77,9

Bioxid de

sulf

SO2 - 64,06 129,8 2,93 -75,5

Apa H2O - 18,02 - 0,804 0,0

16


Metanul CH4 - 16,04 518,7 0,717 -182,4

Etilena C2H4 R1150 28,05 296,6 1,261 -169,5

Etanul C2H6 R170 30,07 276,7 1,356 -183,3

Propilena C3H6 - 42,08 198,0 1,915 -185,0

Propanul

(CH3)2

CH2

R290 44,09 188,8 2,019 -188,9

Butanul C4H10 R60 85,12 143,2 2,668 -159,6

Clorura de

metil

CH3Cl - 50,5 - - -77,6

Freoni

CF4 R-14 88,01 - 3,93 -187,0

CF3Cl R-13 104,47 - 4,66 -181,0

CHF2Cl R-22 86,48 - 3,86 -160,0

CF2Cl2 R-12 120,92 - 5,40 -155,0

CH3Cl R-40 50,49 164,8 2,25 -97,6

CF2Cl

CF2Cl

R-114 170,93 - 7,63 -94,0

17


CHFCl2 R-21 102,92 - 4,59 -135,0

CFCl3 R-11 137,38 - 6,13 -111,0

CFCl

CF2Cl

R-113 187,39 - 8,36 -36,6

R123 152,9 54,3 6,42 -107,0

CH2F -CF3 R 134a 102,0 81,5 5,29 -101,0

CH3C -Cl2

F

R 141b 117,0 71,0 4,82 -103,5

CH3C -Cl

F2

R 142b 100,5 82,7 4,79 -130,8

Tabelul t2.3.4 Alte caracteristici ale agentilor frigorifici

18


19

Denumirea Parametrii la fierbere, p = 760 torr Punctul critic

t [oC] [kg/m3] lv [kJ/kg] tk [oC] pk [bar]

Bioxid de

carbon

-78,52 1560 573,1 31,0 73,7

Amoniacul -33,35 682 1368,5 132,4 113,0

Bioxidul de

sulf

-10,01 1458 390,0 157,5 78,8

Apa 100,0 958,3 2258 374,2 221,2

Metanul -161,5 422 510,0 -82,5 46,4

Etilena -103,5 569 483,0 9,5 51,2

Etanul -88,63 546 485,0 32,2 48,9

Propilena -47,70 612 438,0 91,4 46,0

Propanul -42,30 583 428,0 96,8 42,6

Butanul -11,70 596 367,0 133,7 36,7

Clorura de

metil

-24,00 370 - 143,1 68,0

R-14 -128,0 1630 135,0 -45,5 37,5

R-13 -81,5 1525 150,0 28,78 38,6

R-22 -40,80 1413 234,0 96,0 49,3

R-12 -29,80 1486 167,0 112,0 41,1

R-40 -24,00 1003 429,0 143,0 66,8


2.4 Instalaţia frigorifică cu compresie mecanică

de vapori într-o treaptă

(IFCM)– prezentare generală

Instalaţia frigorifică într-o singură treaptă de comprimare realizează creşterea

presiunii direct de la presiunea de vaporizare pv la valoarea presiunii de condensare pc. În

aceste condiţii, este posibilă realizarea unor temperaturi scăzute de până la (-20÷ -30) oC.

La ora actuală se manifestă o tendinţă de a realiza într-o singură treaptă de

comprimare chiar şi temperaturi mai scăzute.

Pentru mărirea eficienţei frigorifice a ciclului de funcţionare a instalaţiei frigorifice

într-o singură treaptă de comprimare, ca şi pentru reducerea pierderilor datorită

ireversibilităţii din procesul de laminare adiabatică se poate realiza subrăcirea agentului de

lucru înaintea dispozitivului de laminare. Acest proces poate fi realizat practic prin

introducerea în schema instalaţiei a unui subrăcitor, utilizând în cazul ciclului prezentat, apa

ca agent de răcire.

2.4.1 Ciclul ideal

Ciclul ideal al unei instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori, este

ciclul Carnot inversat care se desfăşoară în domeniul de vapori umezi.

În figura 3.1 este prezentată o schemă de principiu a unei maşini frigorifice

funcţionând după ciclul ideal, iar în figura 3.1 a),b) este prezentat ciclul de lucru în două

diagrame termodinamice,dintre care diagrama lgp-i(lgp-h) este cea mai utilizată pentru

studiul ciclurilor frigorifice, deoarece toate schimburile energetice sunt reprezentate sub

forma unor segmente în această diagramă.

Schema şi ciclul instalaţiei frigorifice cu compresie mecanică de vapori în

diagramele T-s şi lg p-i este prezentată în figura 3.1.

20


TC

Figura 2.4.1. Schema şi ciclul instalaţiei frigorifice cu compresie mecanică de

vapori în diagramele T-s (a) şi lg p-i (b) funcţionând cu agent frigorific R134a

K – compresor

C – condensator

TC– tub capilar

V – vaporizator

Procesele caracteristice instalaţiei reale sunt:

21


1-2 comprimare adiabată ireversibilă în compresorul K, care determină

creşterea presiunii şi temperaturii de la pv, Tv la pc, Tc;

2-3 condensare izobar-izotermă în condensatorul C;

3-4 destindere adiabatică ireversibilă şi izentapică în tubul capilar TC,

care determină scăderea presiunii şi temperaturii de la pc, Tc la pv, Tv;

4-1 vaporizare izobar-izotermă în vaporizatorul V la o temperatură Tv

inferioară temperaturii agentului purtător de frig Tf la ieşirea din aparat cu o

diferenţă ΔTv necesară desfăşurării procesului de transfer de căldură.

2.4.2Ciclul teoretic cu comprimare în domeniul de vapori supraîncălziţi

La ciclul prezentat anterior, procesul de comprimare are loc în domeniul vaporilor

umezi, iar reglajul maşinii frigorifice, astfel încât comprimarea să se termine exact pe curba

vaporilor saturaţi, este practic imposibil. Prezenţa picăturilor de lichid în cilindrul

compresorului este nedorită, deoarece dacă acesta nu vaporizează complet şi rămâne în

spaţiul mort la sfârşitul cursei de comprimare, poate să provoace aşa numitele lovituri

hidraulice, care pot să deterioreze părţile componente ale compresorului. Din acest motiv,

procesul de comprimare se desfăşoară în domeniul vaporilor supraîncălziţi, ceea ce are ca

efect creşterea siguranţei în funcţionare, a compresorului.

Schema constructivă a instalaţiei nu se modifică, iar procesele de lucru sunt

prezentate în diagramele T-s şi lgp-h, în figura 2.4.2.

22


Fig. 2.4.2 Ciclul teoretic cu comprimare în domeniul de vapori supraîncălziţi

Diagrama T-s; b) Diagrama lgp-h

După ciclul analizat funcţionează cele mai simple maşini frigorifice, ca cea din

figura 2.4.3, iar în continuare se vor prezenta mai detaliat cele patru aparatele componentele

care nu pot să lipsească din aceste maşini.

Fig. 2.4.3 Schema instalaţiei

În figura 2.4.4 este reprezentat în secţiune un compresor frigorific. Se poate

observa motorul electric (1), al cărui rotor(2) se continua cu arborele cotit. Este reprezentat şi

sistemul bielă-manivelă cu bielele (3) şi pistoanele (4). Aspiraţia vaporilor se realizează prin

supapele de aspiraţie (5) la coborârea pistoanelor, iar refularea prin supapele de refulare (6) la

urcarea pistoanelor.

23


Fig. 2.4.4 Compresor frigorific

Vaporii calzi refulaţi din compresor ajung în condensator, acesta fiind poziţionat în

schema instalaţiei ca în figura 2.4.5. Se observă cum în acest aparat, se produce întâi

desupraîncălzirea vaporilor şi apoi condensarea propriu-zisă.

Din punct de vedere constructiv, figura prezintă un condensator ale cărui

serpentine schimbătoare de căldură sunt răcite de aer. Se observă că există şi nervuri pentru

extinderea suprafeţei şi intensificarea transferului termic. Aerul este circulat forţat cu ajutorul

unui ventilator. Există şi construcţii de condensatoare răcite cu apă sau mixt, cu apă şi aer.

În schema prezentată, dispozitivul de destindere este reprezentat de un tub capilar,

ca cel din figura 2.4.6, al cărui montaj în schema instalaţiei este prezentat în figura 2.4.7.

Fig. 2.4.5 Locul condensatorului în schema instalaţiei

Fig. 2.4.6 Tubul capilar

24


Datorită secţiunii interioare mici şi lungimii mari a capilarului, în timpul curgerii

se produce căderea de presiune de la pk la p0, sugerată de manometrele montate la capetele

tubului.

Treptat, odată cu reducerea presiunii, agentul frigorific ajunge în domeniul

vaporilor umezi, iar la ieşirea din tubul capilar se obţin un amestec de lichid şi vapori saturaţi

la presiunea de vaporizare, în care predomină lichidul, titlul acestor vapori fiind în jur de

75…85%.

Fig. 2.4.7 Locul dispozitivului de destindere în schema instalaţiei

În figura 2.4.8 este prezentat şi vaporizatorul în care se realizează efectul util al

instalaţiei. Lichidul aflat la temperatură redusă, sub cea a mediului ambiant, în timp ce îşi

schimbă starea de agregare răceşte în acest caz aer, dar este posibil să se răcească şi apă sau

alte lichide, respectiv gaze sau substanţe solide. Din punct de vedere constructiv

vaporizatoarele răcitoare de aer se aseamănă cu condensatoarele răcite cu aer, fiind realizate

dintr-o serpentină pe care se montează nervuri. Dacă vaporizatorul funcţionează sub 0°C

atunci pasul dintre nervuri va fi mult mai mare decât la condensator, pentru a permite şi

depunerea de brumă sau gheaţă, fără a obtura spaţiul de curgere a aerului circulat forţat de

către ventilator.

25


Fig. 2.4.8 Locul vaporizatorului în schema instalaţiei

Procesele de lucru corespunzătoare fiecărui aparat din cele prezentate sunt

reprezentate în diagrama lgp-h din figura 2.4.9.

Fig. 2.4.9 Reprezentarea aparatelor şi a proceselor de lucru în diagrama lgp-h

26


Pe această figură, tubul capilar a fost înlocuit de un ventil de laminare. Se pot

observa uşor procesele de comprimare adiabatică (s = constant) din compresor, cel de

condensare (p = constant) din condensator, cel de laminare adiabatică (h = constant) din

ventilul de laminare şi cel de vaporizare (p = constant) din vaporizator.

2.4.3. Ciclul frigorific real

În condiţii reale, se manifestă o serie de abateri ale ciclurilor de funcţionare a

instalaţiilor frigorifice de la condiţiile ideale sau teoretice analizate în ciclurile prezentate

anterior. Astfel, transferul termic în condensator şi vaporizator, are loc la diferenţe finite de

temperatură, iar comprimarea din compresor este o adiabată ireversibilă, datorită recărilor şi

altor procese ireversibile intern. În figura de mai jos, este reprezentat într-o diagramă T-s, un

ciclu care ţine seama de aceste ireversibilităţi.

Fig.2.4.3.1 Ciclu frigorific - vaporizare şi condensare la diferenţe finite de temperatură şi

comprimare ireversibilă

27


În compresor, datorită ireversibilităţilor, creşte entropia agentului frigorific, ceea

ce detemină deplasarea spre dreapta a curbei care reprezintă procesul de comprimare.

Analizând diagrama, se observă că toate ireversibilităţile duc la creşterea suprafeţei ciclului,

despre care, conform analizelor termodinamice, se ştie că este proporţională cu lucrul

mecanic necesar funcţionării instalaţiei. Ireversibilităţile menţionate pot fi considerate de

două tipuri:

- ireversibilităţi externe (transferul termic la diferenţe finite de temperatură);

- ireversibilităţi interne (frecări, turbulenţe, omogenizări, etc.).

În cele două categorii de ireversibilităţi pot fi încadrate şi o serie de alte pierderi

care se întâlnesc în mod uzual în instalaţiile frigorifice. Astfel procesul 1-2, reprezintă

comprimarea adiabatică, iar 1-2r reprezintă comprimarea politropică având indice politropic

(n) variabil, diferit de indicele adiabatic (k). Pe durata comprimării, de altfel foarte scurtă, se

produc ireversibilităţi externe datorate transferului termic la diferenţe finite de temperatură

între vaporii de agent frigorific şi pereţii (cămaşa) cilindrului, dar şi ireversibilităţi interne

datorate frecărilor dintre straturile de agent, dintre acestea şi pereţii cilindrului, sau datorate

turbulenţelor şi omogenizărilor. Se observă că datorită reversibilităţilor, în timpul

comprimării reale, entropia vaporilor creşte. Transformarea 2r-3 reprezintă un proces

complex de desupraîncălzirea vaporilor, sau răcirea acestora până la saturaţie în prima parte a

condensatorului, urmat de condensatrea propriu-zisă. Acest proces este în condiţii reale

caracterizat nu numai de ireversibilităţi externe, datorate transferului termic la diferenţe finite

de temperatură, ci şi de ireversibilităţi interne, datorită cărora se poate constata chiar şi o

oarecare cădere de temperatură pe condensator. Procesul 3-4 reprezintă laminarea adiabatică

în dispozitivul de laminare, caracterizată de ireversibilităţi interne, care generează creşterea

entropiei. Titlul vaporilor la sfârşitul procesului de laminare adiabatică, are valori de cca.

0.15...0,25. Procesul 4-1 reprezintă vaporizarea însoţită de ireversibilităţile interne tipice

pentru procesele de curgere, datorită cărora scade presiunea, dar şi de ireversibilităţi externe,

datorate transferului termic la diferenţe finite de temperatură.

28

Verificarea funcţionării unei instalaţii frigorifice 3. Calculul unei cu compresie într-o treaptă instalaţii frigorifice

3.CALCULUL UNEI INSTALATII FRIGORIFICE

Instalatii frigorifice

1. Date de calcul

- agentul frigorific

-

puterea

frigorifica F = 400 kw

- agentul racit

- temperaturile agentului racit

qs1= -6 [ºC]

qs1 = -11 [ºC]

- agentul de racire : apa

- temperaturile agentului de racire

qw1 = 30 [ºC]

qw2 = 35 [ºC]

- Energie de actionare (electric) 380/220 V 50 Hz

29

Verificarea funcţionării unei instalaţii frigorifice 3. Funcţionarea unei instalaţii cu compresie într-o treaptă frigorifice cu compresie într-o treaptă

3. DETERMINAREA CARACTERISTICILOR

PRINCIPALE ALE UNEI INSTALAŢII FRIGORIFICE

CU COMPRESOR

3.1 Noţiuni generale

Pentru a raci un corp şi a-l menţine la o temperatură mai mica decât cea a mediului

ambiant, este necesar ca el să cedeze mediului ambiant căldură, consumând in acest scop

energie mecanică, electrică, termochimică etc.

În funcţie de temperatura surselor de caldură raportate la temperatura mediului

ambiant Tamb, maşinile care funcţionează după un ciclu inversat se impart în trei grupe.

Dacă T = Tamb (T fiind temperatura sursei calde), instalaţia are rolul de a menţine

temperatura scăzută într-o incintă şi se numeşte instalaţie frigorifică (1, fig. 3.1). Dacă T o =

Tamb (To fiind temperatura sursei reci), instalaţia reprezintă o pompă de caldură (2, fig.3.1), iar

dacă To Tamb T, instalaţia este cu ciclu combinat (3, fig.3.1).

Fig. 3.1 Particularizarea ciclului Carnot inversat.

În principiu instalaţiile frigorifice absorb caldură de la un corp rece, de temperatură

To si o cedeaza mediului ambiant. În acest caz, agentul de lucru poartă denumirea de agent

frigorific.

30


3.2 Descrierea instalaţiei

În prezenta lucrare se tratează instalaţia frigorifică cu vapori cu comprimare

mecanică (fig.3.2).

Fig. 3.2 Schema de principiu a instalaţiei frigorifice cu compresie mecanică cu vapori.

Ca instalaţie frigorifică, se utilizează un frigider ZILL (fig.15.4) care funcţionează

cu comprimare mecanică (compresor),avand puterea P =150 W , iar ca agent frigorific

foloseşte freon R 134a în cantitate de m =100 grame.

Fig. 3.3 Stand practic-insţalatie frigorifică ZILL

31


Instalaţia se compune dintr-un compresor (fig. 3.8) ,un condensator (fig. 3.9) ,un

tub capilar (fig. 3.6) ,un vaporizator (fig.3.4) cu volumul de0/02479 m3 , conducte de

legatură(fig.3.10) pentru circulatia agentului frigorific şi trei termometre (fig.3.5) pentru

măsurarea temperaturilor t1, t2, si t5" . De asemenea se presupun cunoscute presiunile p1 şi p2

din vaporizator şi respectiv condensator.

Fig. 3.5 Termometre

32


Fig. 3.7 Manometre refulare/aspiraţie ( joasă/inaltă presiune )

33


Fig. 3.8

Fig.3.9 Condensator

34


Fig. 3.10 Conducte de legatură( refulare/aspiraţie )

Procesele caracteristice:

Vaporii saturaţi de stare,aflaţi la presiune scăzută p1 sunt comprimaţi politropic în

compresor (fig.3.8) pană la presiunea din condensator p2. Agentul frigorific în faza de vapori

supraîncalziţi intră în condensator (fig.3.2) unde are loc răcirea izobară până la starea de

saturaţie şi condensarea lor (transformarea 2-2’-3) cu cedarea căldurii q1 mediului exterior,

prin agentul de răcire al condensatorului(aer). După condensare, agentul frigorific, la starea 3

este laminat în tubul capilar (fig.3.6) până la nivelul presiunii p1 din vaporizator.

Transformarea (3-4) este izentalpică si ireversibilă, rezultând un amestec lichid-vapori,în

starea 4. În continuare are loc vaporizarea (4-1) în vaporizator (fig.3.4), preluându-se caldură

qo de la spaţiul refrigerat.

Caracteristicile principale ale instalaţiilor frigorifice sunt:

a) Puterea frigorifică:

b) Lucru mecanic specific necesar comprimării:

c) Sarcina termică specifică a condensatorului

d) Eficienţa frigorifică

3.3Mod de funcţionare

La pornirea instalaţiei se citeste indicaţia contorului cu precizie de trei zecimale,

temperatura agentului de lucru în punctele 1, 2’, 4-1 a ciclului ( t1, t2’, taer).

35


Eficienţa frigorifică se determină pe un interval de timp = 35 min.,măsurându-se

din 5 in 5 minute temperaturile t1 , t2 si taer .

Se urmăreste stabilizarea aproximativă a ciclului pentru a efectua calculele cât mai

precis ( ≈ 15 minute).

Având valorile temperaturilor şi cunoscând presiunile p1 si p2 ,introduse în tabelul

t3.3.1,care au valorile p1 = 1,22 - 1,57 bar, p2 = 9.11 bar, din diagrama lgp-h se extrag

entalpiile h1, h2 si h4.

Cu aceste valori se calculează puterile termice şi energetice ale instalaţiei :

- puterea frigorifică, cu relaţia:

qo = h1 – h4 = [ kJ/kg ]

- sarcina termică specifică a condensatorului, cu relaţia :

q1 =h2 - h3 [kJ/kg]

- lucru mecanic specific necesar comprimării, cu relaţia :

lr = h2 - h1 [ kJ/kg ]

- eficienţa frigorifică, cu relaţia :

εf = qo / lr

Pe baza acestor date se va reprezenta ciclul în diagrama lgp-h (fig.3.11), iar rezultatele se vor

centraliza în tabelul t3.3.2.

Tabel t3.3.1 Valori măsurate

Nr.crt. Marime Simbol UM Valori timp

15 20 25 30 35 minute

900 1200 1500 1800 2100 secunde

36


1. Temp înainte K t1 oC -16 -18 -22 -21 -22

2. Temp. înainte condensator t2 oC 38.1 42 44 43 44.2

3. Temp aer interior taer oC -14 -19 -19 -20 -20

4. Presiune înainte compresorrizator p1 bar 1.6 1.2 1.2 1.2 1.2

5. Pres după K p2 bar 7.8 9.2 9.2 9.1 9.1

3.4 Calcule efectuate

Tabel t3.4.1 Date măsurate după 15 minute

Puncte caract.mas 1 t p h s v

oC bar kJ/kg kJ/kgK m^3/kg

1 -16 1.573 387.47 1.732 0.124

2 36.45 7.741 420.4 1.732 0.027

2' 30.1 7.741 413.5 1.711 0.027

3 30.1 7.741 241.72 1.143 0.004

4 -16 1.573 230.1 1.12 0.03


Puncte caract.mas 2 t p h s v


1 -18 1.45 386.56 1.735 0.134

2 42 8.622 423.34 1.735 0.024

2' 34 8.622 415.44 1.709 0.024

3 34 8.622 247.17 1.161 0.004

4 -18 1.45 235 1.144 0.043

Tabel t3.4.3Date măsurate după 25 minute

Puncte caract.mas3 t p h s v

37



1 -22 1.22 384.03 1.768 0.015

2 44 9.117 425.7 1.768 0.023

2' 36 9.117 416.4 1.708 0.023

3 36 9.117 250.22 1.171 0.004

4 -22 1.22 238.53 1.159 0.051




1 -21 1.274 384.73 1.737 0.152

2 43 8.872 424.7 1.737 0.024

2' 35 8.872 415.9 1.708 0.024

3 35 8.872 248.82 1.166 0.003

4 -21 1.274 237.23 1.152 0.051




1 -22 1.22 383.9 1.737 0.158

2 44.2 9.11 425.72 1.737 0.023

2' 36 9.11 416.29 1.709 0.022

3 36 9.11 250.25 1.171 0.003

4 -22 1.22 250.19 1.205 0.058

Nr.crt. Marime Simbol UM Valori timp

15 20 25 30 35 minute

900 1200 1500 1800 2100 secunde

1.

putere frigorifică specifică qo kJ/kg 157.37 151.56 145.5 147.5 133.71

2. sarcină term q1 kJ/kg 178.68 176.17 175.48 175.88 175.47

38


spec cond

3.lucru mec compr lr kJ/kg 32.93 36.78 41.67 39.97 41.82

4.

eficientă termică reală εf

#REF! 4.778925 4.120718 3.491721 3.690268 3.197274

39

Verificarea funcţionării unei instalaţii frigorifice BIBLIOGRAFIE cu compresie într-o treaptă

BIBLIOGRAFIE

[1] Aradau,D., Costiuc,L. "Ciclul maşinii frigorifice într-o treaptă cu R134a" Conferinţa

naţionala de termotehnica ediţia a III-a, Bucureşti (1993), pp. 367-370.

[2] Balan,M. "Complemente de proces calcul şi construcţie a instalaţiilor frigorifice.

Modelarea ciclurilor frigorifice", At. de multiplicare al UT Cluj-Napoca, 1997.

[3] Balan,M., Madarasan,T. "Software for Thermal Calculus and Teaching of Refrigerating

Cycles", Proceedings of the IASTED International Conference Modeling and Simulation,

Colombo, Sri Lanka, July 26-28, (1995), ISBN: 0-88986-222-2, pp. 68-71.

[4] Balan,M., Madarasan,T., Mrenes,M. "Asupra calculului termic al unor cicluri

frigorifice cu freoni în două trepte de comprimare". Conferinţa Naţionala de Termotehnică

ediţia a V-a, Cluj- Napoca 26-27 mai (1995), vol. II, pp. 381-388.

[5] Balan,M., Madarasan,T. "Pedagogical software for the study of the refrigerating cycles"

Meeting of International Institute of Refrigeration, Commissions B1, B2, E1, E2. Research,

Design and Construction of Refrigeration and Air Conditioning Equipments in Eastern

European Countries, Bucharest, Romania, September 10-13, (1996), ISBN: 2 903 633-89-4,

pp. 374-379.

[6] Chiriac,F. "Instalaţii frigorifice", Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti 1981.

[7] Stamatescu,C. "Tehnica frigului" vol 1. ET Bucureşti (1972).

[8] Stamatescu,C. s.a. "Tehnica frigului" vol 2. Calculul si construcţia maşinilor si

instalaţiilor frigorifice industriale. ET Bucureşti (1979).

[9] Radcenco,V. s.a. "Procese în instalaţii frigorifice" EDP Bucureşti (1983).

[10] Pop,M.G, Leca,A. s.a. "Îndrumar. Tabele, nomograme si formule termodinamice" vol I-

III, Ed.Tehnică Bucureşti (1987).

[11] Dănescu,A., ş.a. "Termotehnică şi maşini termice", Ed. Didactică şi Pedagogică,

Bucureşti,1985.

www.termo. utcluj .ro

www.instal.utcb.ro

40

http://www.instal.utcb.ro/

http://www.termo.utcluj.ro/

Verificarea funcţionării unei instalaţii frigorifice ANEXE cu compresie într-o treaptă

ANEXE

Diagramele lgp-h pentru masuratori

Fig. A1. Diagrama lgp-h pentru masuratorile in t1=15 minute

41




42




43

PROIECT DE LICENTA 99%

Documents

Transcript of PROIECT DE LICENTA 99%