Tehnica frigului n industria alimentar

Tema: Ageni frigorifici pentru instalaiile din industria alimentar

Studeni: Florea Larisa GeorgianaLazr Alexandra Monica

Cuprins

1. Istoricul agenilor frigorifici2. Agentii frigorifici2.1. Proprietati ale agentilor frigorifici2.2. Compozitia chimica a freonilor2.3. Domenii de utilizare ale agentilor frigorifici3. Amoniacul3.1. Proprietai si caracteristici ale amoniacului3.2. Criterii de constructie si proiectare a instalatiilor care utilizeaza NH34. Concluzii 5. Bibliografie

1. Istoricul agentilor frigorifici

Istoricul agenilor frigorifici ncepe n anul 1834, cnd americanul Jacob Perkins breveteaz o main frigorific funcionnd prin comprimare mecanic de vapori, utiliznd ca agent frigorific oxidul de etil.Utilizarea unei asemenea maini s-a dovedit rapid limitat de nivelul ridicat de inflamabilitate al acestui agent.

n 1876 Carl von Linde, datorit utilizrii amoniacului ca agent frigorific, permite adevrata dezvoltare a instalaiilor frigorifice prin comprimare mecanic de vapori.

n 1880, introducerea unui nou agent frigorific, anhidrida carbonic, reprezint nceputul utilizrii instalaiilor frigorifice pentru mbarcarea la bordul navelor a produselor alimentare.

n 1920, prin utilizarea anhidridei sulfuroase i a clorurii de metil, apar primele maini frigorifice de uz casnic sau comercial.

ncepnd din 1930, apar primele hidrocarburi fluorurate i clorurate (CFC).

Datorit caracteristicilor foarte interesante din punct de vedere termodinamic i datorit marii lor stabiliti att termice ct i chimice, utilizarea acestora va aduce o ameliorare considerabil att a fiabilitii ct i a siguranei n funcionare a instalaiilor frigorifice cu compresie mecanic. Aa se explic de ce n comparaie cu amoniacul i clorura de metil, aceste substane poart denumirea de ageni frigorifici de siguran.n numeroase ri, pe lng denumirea de freoni, agenii frigorifici pot fi ntlnii i sub diverse denumiri comerciale, care pentru acelai produs difer de la ar la ar i de la un productor la altul. R12 de exemplu, este numit Forane 12 (denumirea comercial a Uzinei Kuhlmann din Frana), Flugene 12 (denumirea comercial a firmei Pechine Saint-Gobain din Frana), sau Genetron 12 (denumirea comercial a societii Allied Chemical din S.U.A.). n unele publicaii tiinifice, chiar i denumirea de freoni, pentru desemnarea agenilor frigorifici, este consideratcomercial.

2. Agenii frigorifici

Pentru a permite funcionarea ciclic a instalaiilor frigorifice i a pompelor de cldur, agenii termodinamici de lucru din acestea, preiau cldur prin vaporizare i cedeaz cldur prin condensare, la temperaturi sczute sau apropiate de ale mediului ambiant, deci trebuie s fie caracterizate de unele proprieti particulare, care i deosebesc de agenii termodinamici din alte tipuri de instalaii. Acesta este motivul pentru care agenii de lucru din instalaiile frigorifice i pompele de cldur, poart denumirea de ageni frigorifici.

Agentul de lucru,care evolueaz n aceste instalaii, este denumit agent frigorific. Pentru a putea s preia cldurde la sursa rece, agentul frigorific trebuie saib temperatura mai mic dect aceasta. n timpul prelurii de cldur de la sursa rece, agentul frigorific se poate comporta n dou moduri diferite: - se poate nclzi mrindu-i temperatura; - poate s- i menin temperatura constant.

2.1. Proprieti ale agenilor frigorifici

Proprietile agenilor frigorificisunt impuse de schema i tipul instalaiei, precum i de nivelurile de temperatur ale celor dou surse de cldur. Cteva dintre aceste proprieti sunt urmtoarele: - presiunea de vaporizare trebuie s fie apropiat de presiunea atmosferic i uor superioar acesteia, pentru a nu apare vidul n instalaie; - presiunea de condensare trebuie s fie ct mai redus, pentru a nu apare pierderi de agent frigorific i pentru a se realiza consumuri energetice mici n procesele de comprimare impuse de funcionarea acestor instalaii; - cldura preluat de un kilogram de agent, prin vaporizare, trebuie s fie ct mai mare, pentru a se asigura debite masice reduse; - cldura specific n stare lichid trebuie s fie ct mai mic, pentru a nu apare pierderi mari prin ireversibiliti interne, n procesele de laminare adiabatic; - volumul specific al vaporilor trebuie s fie ct mai redus, pentru a se obine dimensiuni de gabarit reduse, ale compresoarelor; - s nu prezinte pericol de inflamabilitate, explozie i toxicitate;- s nu fie poluani (este cunoscut faptul c unii ageni frigorifici clasici i anume cteva tipuri de freoni, contribuie la distrugerea stratului de ozon al stratosferei terestre); - s prezinte o contribuie ct mai sczut la nclzirea global(este conoscut c o serie de substane utilizate n tehnic o dat ajunse n atmosfer, contribuie la nclzirea global a planetei, fenomen denumit i efect de ser).

Pentru a nu se utiliza denumirile chimice complicate ale acestor substane, agenii frigorifici au fost denumii freoni, sunt simbolizai prin majuscula R, (de la denumirea n limba englez- Refrigerant) i li s-a asociat un numr determinat n funcie de compoziia chimic. Unii dintre cei mai cunoscui ageni frigorifici sunt prezentai n tabelul 1, mpreun cu temperatura normalde vaporizare i indicele transformrii adiabatice.

Se observ c aceti ageni au proprietatea de a vaporiza (fierbe) la temperaturi sczute, putnd deci sabsoarb cldur, la temperaturi mai mici dect ale mediului ambiant.

2.2. Compoziia chimic a freonilor

Din punct de vedere al compoziiei chimice, freonii, care sunt hidrocarburi fluorurate, pot fi mprii n trei mari categorii: CFC (clorofluorocarburi), freonii clasici, care conin Cl foarte instabil n molecul; HCFC (hidroclorofluorocarburi), freoni denumii de tranziie, care conin n molecul i hidrogen, datorit cruia Cl este mult mai stabil i nu se descompune att de uor sub aciunea radiaiilor ultraviolete; HFC (hidrofluorocarburi), considerai freoni de substituie definitiv, care nu conin de loc n molecul atomi de Cl.

Pe lng cele trei categorii de ageni frigorifici menionate, exist i ageni frigorifici naturali, ntre care amoniacul (NH3), simbolizat i prin R717, este cel mai important i cel mai utilizat, datorit proprietilor sale termodinamice care l fac cel mai performant agent frigorific din punct de vedere al transferului termic. n ultimul timp ncepe s fie tot mai utilizat ca agent frigorific, propanul simbolizat prin R290, care reprezint un nlocuitor excelent pentru R22, avnd o compatibilitate perfect cu uleiurile utilzate n compresoarele pentru R20 i asigurnd o eficien frigorific superioar fa de R22. Propanul este utilizat i n numele tipuri de pompe de cldur. Singura problem legat de utilizarea propanului ca agent frigorific, este reprezentat de inflamabilitatea ridicat a acestuia.

2.3. Domenii de utilizare a agenilor frigorifici

Cele mai importante domenii de utilizare a freonilor i agenii de substituie pentru freonii clasici sunt prezentate in tabelul urmator:

3. Amoniacul - R717

3.1. Proprietati si caracteristici ale amoniacului Amoniacul (NH3-R717) este cel mai utilizat agent frigorific att pe plan mondial ct i naional. Acesta este un gaz incolor cu miros caracteristic, principalul avantaj al acestui agent frigorific ecologic fiind proprietile termodinamice i trasferul de cldur. Este inert fa de oel, materiale plastice i nemiscibil cu uleiul prezentnd o sensibilitate redus n contact cu aerul umed sau apa din instalaie. Comparativ cu freonii necesit pentru aceeai putere frigorific energie primar mai mic. Dintre dezavantaje se menioneaz: -este toxic, explozibil i inflamabil la concentraii volumice n aer de 15...28% sau la concentraii i mai mici dac n amestec se aflvapori de ulei; -provoac leziuni mortale sau foarte grave; -n contact cu ochii, gura, cile respiratorii produce iritaii; -n prezena apei ataczincul, cuprul i aliajele acestora (alama, bronz), de aceea pentru instalaiile cu amoniac industriale se utilizeaz conducte i echipamente din oel;

Instalatia cu R717 prezinta cea mai redusa contributie la incalzire a atmosferei, aceasta fiind datorata doar energiei de actionare si aceasta avand valoarea cea mai mica comparativ cu celelalte fluide frigorifice

Proprieti i caracteristici termodinamice ale agentului frigorific ecologic NH3 sunt: -temperatura critic: 132.25C-presiunea critic: 113.33 bar -densitate: 225 kg/m3-masa molar: 17.03 kg/ kmol -ODP= 0 -GWP= 0

Amoniacul prezint cea mai sczut cretere a eficienei frigorifice, dar problema utilizrii subrcirii regenerative n cazul acestui agent frigorific,este reprezentatde creterea accentuata temperaturii de refulare, odat cu supranclzirea vaporilor aspirai. Temperatura de refulare crete att de mult nct va fi depit temperatura de grafitizare a uleiului de ungere, deci n cazul amoniacului nu se utilizeaz schimbtoare de cldur regenerative, ca soluie pentru creterea eficienei frigorifice a ciclului.

Fig. 1

Amoniacul este utilizat in instalatii frigorifice industriale de mai bine de un secol. Potentialul de distrugere al ozonului este nul (ODP=0) si nu are potential direct de incalzire globala (GWP). Eficienta amoniacului este cel putin la fel de buna ca in cazul R22, in anumite cazuri chiar mai favorabila. Deci contributia indirecta la incalzirea globala este redusa. Totodata pretul este incomparabil mai mic. Adunate acestea reprezinta calitatile inlocuitorului ideal pentru R22, chiar si pentru HFC-uri. Amoniacul are caracteristici bune care pot fi exploatate in special in instalatii frigorifice de mari dimensiuni.Din pacate exista si aspecte negative care restrictioneaza utilizarea pe scara larga a amoniacului, mai ales in zona comerciala care necesita progrese pentru a putea utiliza amoniacul ca agent frigorific.Un dezavataj il reprezinta exponentul izentropic ridicat (NH3=1.31/R22=1.18/ R12=1.14) rezultand o temperatura la iesirea din compresor mai ridicata decat in cazul R22. Instalatiile frigorifice cu compresie intr-o singura treapta sunt obiectul unor restrictii pentru temperatura de vaporizare mai mica de -100C.O alta problema este ridicata de folosirea unor lubrifianti adecvati pentru instalatiile frigorfice de mici dimensiuni. Uleiurile folosite in trecut nu erau miscibile cu agentul frigorific. Astfel, uleiul trebuie separat cu ajutorul separatoarelor de ulei si nu se pot utiliza vaporizatoare cu expansiune directa datorita degradarii in cadrul procesului de transfer de caldura.Amoniacul are o diferenta a entalpiei foarte mare, rezultand un debit maxim circulat relativ mic (aproximativ 10-15% din debitul R22). Aceasta calitate a agentului frigorific este benefica in cazul centralelor frigorifice de mari dimensiuni, insa face greu de controlat sistemele de capacitate redusa.Inca un criteriu care trebuie luat in considerare este actiunea coroziva a amoniacului asupra cuprului; deci tevile din cupru trebuie inlocuite cu otel. Inca o problema apare si datorita conductivitatii electrice a amoniacului cu un continut mai ridicat de umiditate. Alte caracteristici sunt toxicitatea si infamabilitatea, caracteristici care necesita masuri speciale de siguranta in constructia si exploatarea sistemelor care functioneaza cu amoniac.

3.2. Criterii de constructie si proiectare a instalatiilor care utilizeaza NH3

Tinand cont de tehnologia existenta, sistemele frigorifice industriale necesita o structura diferita de cea a sistemelor comerciale. Datorita nemiscibilitatii cu uleiurile lubrifiante si a caracteristicilor specifice acestui agent frigorific, sunt necesare separatoare de ulei eficiente, vaporizatoare inundate (flooded evaporators) si o circulatie realizata gravitational sau cu pompa de circulatie. Datorita pericolului reprezentat de amoniac pentru om sau pentru produsul care necesita racire, vaporizatoarele nu vor fi dispuse niciodata in incaperea ce trebuie racita. Este necesar un circuit secundar pentru transportul caldurii. Compresoarele in doua trepte sau compresoarele cu surub cu racitoare de ulei de mari dimensiuni trebuie utilizate la raporturi de compresie medii datorita comportamentului termic nefavorabil. Toate componentele sistemului (conductele de agent frigorific, schimbatoarele de caldura si racordurile) trebuie realizate din otel. Compresoarele utilizate trebuie sa aiba motorul de actionare ca o componenta separata. Aceste masuri duc la un pret mai ridicat al sistemelor frigorific care utilizeaza amoniac, mai ales in cazul instalatiilor de dimensiuni mici sau medii.In prezent au loc cercetari pentru lubrifianti partial solubili, cat si pentru metode simplificate care implica intoarcerea automata a uleiurilor nemiscibile (ca alternativa).Instalatiile frigorifice deja existente pentru R22 nu pot fi adaptate pentru a functiona cu amoniac. Sistemele trebuie construite cu componente complet noi.

4. Concluzii

Racirea directa a aerului se recomanda pentru instalatiile de climatizare locala, utilizand freonii ca fluide frigorifice, cel mai performant fiind R134a. Racirea indirecta, recomandata la sistemele de climatizare centra lizate, putand utiliza si amoniacul ca fluid frigorific, anuleaza dezavantajul energetic.

Amoniacul este recomandat deci pentru sistemele cu racire indirecta, mai ales cand condensatorul este racit cu apa. Un avantaj suplimentar al instalatiilor cu amoniac este contributia mai mica la incalzirea atmosferei.

5. Bibliografie

1. http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/3_3.pdf2. http://ro.wikipedia.org/wiki/Agent_frigorific3. http://l.academicdirect.org/Education/Evaluation/Chemistry/Chimie-Mecanica/Freoni_ProfMBalan.pdf4. http://www.creeaza.com/tehnologie/constructii/instalatii/AGENTI-FRIGORIFICI-INLOCUITORI742.php

2