ccfifv

Prof. dr. ing. Mugur BLANS.l. ing. Angela PLEA

INSTALAII FRIOGORIFICEConstrucie, funcionare i calcul

Mugur BLAN, Angela PLEA

2

CUPRINS

1. COMPRESOARE FRIGORIFICE .................................................................................... 31.1. Consideraii generale. Clasificare ................................................................................... 31.2. Compresoare cu piston .................................................................................................... 41.3. Compresoare elicoidale sau compresoare cu urub....................................................... 181.4. Compresoare volumice rotative .................................................................................... 261.5. Compresoare centrifugale ............................................................................................. 33

2. SCHIMBTOARE DE CLDUR ................................................................................. 392.1. Noiuni introductive. Clasificare ................................................................................... 392.2. Construcia schimbtoarelor de cldur ........................................................................ 402.3. Vaporizatoare ................................................................................................................ 582.4. Condensatoare ............................................................................................................... 79

3. CALCULUL SCHIMBTOARELOR DE CLDUR ................................................. 873.1 Condensator rcit cu aer............................................................................................... 873.2. Rcitor de aer .............................................................................................................. 1033.3. Subrcitor de tip eav n eav ................................................................................... 1123.4. Condensator multitubular orizontal n manta.............................................................. 1283.5 Condensator cu evaporare forat................................................................................. 142

BIBLIOGRAFIE .................................................................................................................. 152

Instalaii frigorifice. Construcie, funcionare i calcul

3

1. COMPRESOARE FRIGORIFICE

1.1. Consideraii generale. Clasificare

Principalele tipuri de compresoare utilizate n tehnica frigului i domeniile de utilizareale acestora sunt prezentate n tabelul 1.

Tab. 1.1. Tipuri de compresoare frigorifice i domeniile de utilizareVolumice RotativeTip cu piston elicoidal cu spirale centrufugale

Ermetic

casniccomercial

climatizarercire

-comercial

climatizarercire

--

climatizare-

----

Semiermetic

casniccomercial

climatizarercire

-comercial

climatizarercire

--

climatizare-

--

climatizare-

Deschis

casniccomercial

climatizarercire

-comercial

climatizarercire

--

climatizare-

--

climatizarercire

- casnic = electrocasnic: rcire; condiionare; climatizare 0Q& =0,15 kW- comercial = aplicaii comerciale: vitrine frigorifice; camere frigorifice mici;

magazine. 0Q& =5100 kW- climatizare = sisteme de climatizare mari: pompe de cldur; grupuri pentru

rcirea apei. 0Q& =501000 kW i chiar mai mult- rcire: industria alimentar i agricultur; transporturi maritime; chimie;petrochimie; pompe de cldur industriale (orice putere frigorific)


4

1.2. Compresoare cu piston

Compresoarele cu piston fac parte din familia compresoarelor volumice alternative ipot fi de trei tipuri constructive:

- deschis, reprezentat n figura 1.1;- semiermetic, reprezentat n figura 1.2;- ermetic, reprezentat n figura 1.3.

Fig. 1.1. Compresor deschis

Fig. 1.2. Compresor semiermetic


5

Fig. 1.3. Compresor ermetic

Compresoarele deschise se pot cupla cu motoare separate, de tip electric sau termic ipot vehicula orice tip de agent frigorific. n general sunt utilizate pentru puteri frigorificemedii i mari.

Compresoarele semiermentice sunt cuplate direct la un motor electric nchis ntr-uncarter demontabil comun. Nu pot vehicula dect freoni i se utilizeaz pentru puteri medii.

Compresoarele ermetice se aseamn cu cele semiermetice, dar sunt nchise mpreuncu motorul ntr-o carcas etan nedemontabil (sudat). Nu pot vehicula dect freoni i seutilizeaz pentru puteri mici i medii.

1.2.1. Realizarea comprimrii

n figura 1.4 este reprezentat interiorul unui compresor deschis cu piston.

Fig. 1.4. Interiorul unui compresor deschis cu piston1 supap de aspiraie; 2 resort pentru prevenirea loviturilor hidraulice;

3 piston; 4 cmas de cilindru; 5 canal de aspiraie


6

Din punct de vedere constructiv, compresoarele frigorifice nu se difereniazfundamental de cele utilizate pentru alte gaze.

- n general compresoarele sunt cu simplu efect;- comprimarea se realizeaz politropic;- n compresoarele industriale sunt foarte utilizate supapele cu discuri inelare, care sentlnesc uneori i n cele semiermetice, n locul supapelor lamelare;- rcirea cilindrilor este cel mai adesea realizat de vaporii aspirai, care n consecinse nclzesc n procesul de aspiraie;- rcirea vaporilor n timpul comprimrii se poate realiza prin injecie de agentfrigorific lichid (ceea ce prezint ns pericolul producerii de lovituri hidraulice, decinu este o metod utilizat n mod curent);- comprimarea n dou trepte este avantajoas dac raporul de comprimare depetevaloarea 7, sau dac temperatura final de refulare depete valoarea de 125135C;- ntre treptele de comprimare se realizeaz rciri intermediare, de regul cu ap sau cuaer.Cilindrii - pot fi prelucrai prin procedee de precizie ridicat, direct n corpul

carterului, pn la suprafaa oglind, sau pot fi realizai din cmi amovibile prelucrate dinfont extrafin centrifugat, avnd tot suprafaa oglind. Partea inferioar a cmii semonteaz pe carter, iar n partea superioar a acesteia se monteaz supapele de aspiraie.Diametrul interior definete alezajul D, exprimat n milimetri. Chiulasa care nchide cilindriipoate s fie comun pentru mai muli cilindri.

Pistonul - este realizat din aliaj de aluminiu, cu o prelucrare particular a capului,conform cu forma supapelor, n scopul reducerii la minim a spaiului mort. Pistonul esteprevzut cu doi sau trei segmeni din font cromat i un segment raclor pentru uleiul deungere.

n fusta pistonului sunt prevzute orificiile pentru montarea bolului, realizat subform tubular din oel de nalt rezisten (90 kgf/mm2). Pe bol este asamblat piciorul bielei.

Deplasarea pistonului ntre punctul mort interior i punctul mort exterior, constituiecursa S, exprimat n milimetri i indicat de firmele constructoare n cataloage.

Pentru a menine viteza vaporilor la trecerea acestora prin supape, ntr-un domeniu devalori convenabile, se realizeaz rapoarte D/S de ordinul 1,31,4. n plus, n general nu sedepete o vitez medie liniar a pistoanelor u, de 4 m/s. n consecin se pot scrie dourelaii care permit definirea limitelor acceptabile ale S i D, pentru turaiile de sincronism alemotoarelor electrice de antrenare a compresoarelor:

35,1SD;s/m4

60nS2u === (1.1)

Tab. 1.2. Valorile parametrilor constructivi S i Dpentru diferite turaii de sincronism

Turaia de sincronismn [rot/min]

3000 1500 1000

Cursa S [mm] 40 80 120Alezajul D [mm] 54 108 162


7

Supapele - ca i la majoritatea compresoarelor pentru diverse gaze, sunt realizate dindiscuri inelare concentrice, cele de aspiraie la periferie, iar cele de refulare n zona axial, can figura 1.5. Cursa supapelor este redus, iar seciunile de trecere se calculeaz pe bazaurmtoarelor viteze:

- 3040 m/s pentru freoni;- 5060 m/s pentru amoniac.

Fig. 1.5. Blocul supapelor1 difuzor; 2 resort ondulat; 3 amortizor; 4 supapa; 5 scaun interior

Legislaiile unor ri europene impun ca pentru compresoarele deschise avndcilindreea peste 25 m3/h pe cilindru, s fie prevzut un dispozitiv anti lovituri hidraulice, carepoate s fie reprezentat de un resort elicoidal. Acesta menine n poziie normal defuncionare ansamblul supapelor de refulare, dar n cazul unui aflux de lichid, resortul trebuies se poat comprima i s lase supapa s se ridice de pe scaunul su, pentru a permitecurgerea lichidului.

Canale sau colectoare vaporii de agent frigorific sunt admii n cilindrii i suntevacuai din acetia prin intermediul canalelor sau colectoarelor, care sunt realizate n cartersau n afara acestuia. Ultima soluie constructiv evit supranclzirea vaporilor aspirailordatorit contactului cu masa metalic a carterului, care n timpul funcionrii compresoruluieste cald.


8

Cteva elemente constructive ale compresoarelor cu piston sunt prezentate n figura1.6.

Fig. 1.6. Pri componene ale compresoarelor cu piston

Coeficientul de debit Spaiul mort al compresoareelor frigorifice este situat ntre14%, iar coeficientul de debit depinde de natura agentului frigorific, n particular devaloarea exponentului politropic.

1.2.2. Particulariti mecanice

Compresoarele frigorifice actuale difer puin de la un constructor la altul i n afaraunor detalii tehnologice, au n comun cinci elemente specifice, care prezint uneleparticulariti fa de compresoarele pentru gaze.

Carterul se realizeaz n general din font cu granulaie fin (Ft25), etan pentruagenii frigorifici i turnat dintr-o singur bucat, cu toate orificiile pentru montarea cmilorde cilindri, cuzineilor pentru lagrele palier i pentru vizitare.

Grosimile fontei sunt determinate pentru a rezista la presiunile care se manifest ndiferite zone ale compresorului. Dup realizarea prelucrrilor mecanie (uzinaj), carterul estesupus unor probe hidraulice la o presiune de dou ori mai mare dect cea nominal de lucru.

Cilindrii sunt dispui n linie, n V n W sau n VV, adic n stea. Astfel se pot realizamaini cu 2, 3, 4, 6, 8, 9, 12 sau 16 cilindri. n acest mod constructorii pot s realizeze serii decompresoare bazate pe una sau dou perechi de alezaj / curs (D/S), n condiiile unei foartebune compactiti, unui echilibraj foarte bun i cu un numr redus de ambielaje i elementeconstructive (dintre care multe sunt comune unei ntregi serii de compresoare).

Pentru un compresor cu i cilindri, volumul descris de piston, sau volumul baleiatdenumit i cilindree, se calculeaz cu relaia:

[ ]h/m60niS4D

V 32

=& (1.2)Carterul prezint dou spaii desprite de un perete obinut prin turnare:- partea superioar cuprinde cmile de cilindru i constituie camera de aspiraie;- partea inferioar cuprinde arborele cotit (vibrochenul) i baia de ulei.Cele dou spaii comunic ntre ele prin orificii de echilibrare a presiunii, astfel nct

i partea inferioar a carterului s se gseasc tot la presinea de aspiraie.Aceast dispunere prezint urmtoarele avantaje:- partea inferioar se gsete la presiuni apropiate de cea atmosferic, deci suntposibile deschiderea i accesul n interior pentru operaii de ntreinere;- permite returul spre baia de ulei a uleiului care se separ de vaporii de agent ncamera de aspiraie;- permite degazarea uleiului de vaporii de agent frigorific.


9

Accesul pentru operaii de ntreinere este facilitat de existena unor deschideri pentruvizitare, prevzute cu capace demontabile i a unor diferite bosaje care permit racordarea demanometre de control sau a unor organe de siguran.

Arborele cotit i bielele se difereniaz de cele utilizate n celelalte compresoare.Cteva elemente specifice sunt urmtoarele:

- arborele cotit este realizat din oel matriat sau adesea din font nodular; estedimensionat cu atenie, iar masele de echilibrare, solidare cu arborele, preiau forelerezultante orizontale i verticale ca i neuniformitiile micrii.- arborele se rotete n paliere lise, prevzute cu cuzinei antifriciune realizate dintr-unaliaj pe baz de plumb sau alte materiale, pe un suport metalic subire, caz n carecuzineii se pot nlocui, respectiv n paliere cu bile sau rulmeni, iar uneori seutilizeaz o combinaie a celor dou variante;- suprafeele pe care se monteaz palierele lise se trateaz termic pentru a atinge oduritate de ordinul a 50 kgf/mm2;- dac numrul de cilindri este mai mare de 8, n general este prevzut un palierintermediar;- arborele este penetrat de canale destinate circulaiei uleiului de ungere;- bielele matriate dintr-un aliaj de aluminiu, sunt prevzute n capul acestora cucuzinei antifriciune amovibili, iar n picior cu o garnitur din bronz;- n anumite cazuri, bielele nu prezint nici cuzinei nici garnitur, iar cnd se atingcotele de uzur definite de constructor, bielele sunt nlocuite cu totul;- uneori bielele sunt prevzute cu canale pentru asigurarea curgerii uleiului dinspre capspre picior;Pentru compresoarele deschise, arborele iese n exterior, astfel nct trebuie prevzute

dou dispozitive particulare:- o garnitur rotativ (presgarnitur) care creaz o barier ntre carterul aflat subpresiunea agentului frigorific i atmosfer. Pentru aceasta majoritatea constructorilorau adoptat un sistem de tip garnitur mecanic. Dac n timpul funcionrii carterultrebuie s lucreze sub depresiune, garnitura prezint dou sisteme de etaneitate opuse.- o pies intern ntre arborele cotit i carter, avnd rolul de a absorbi presiunearezidual creat de diferena dintre presiunea din carter i cea atmosferic. Aceastpies este realizat fie dintr-un inel prevzut pe unul din lagrele palier, fie dintr-unrulment cu bile, ace sau role numit de presiune.Ungerea are ca scop asigurarea gresajului prilor aflate n micare relativ:

palierele principale, capurile bielelor, picioarele bielelor, cilindrii, i garnitura mecanic.Circuitul de ungere prezint n general urmtoarele elemente:- un filtru de aspiraie cu cdere de presiune redus, imersat n baia de ulei;- o pomp de ulei antrenat de arborele cotit: n prezent sunt utilizate dou tipuri depompe: cu angrenaj exterior, echilibrate dar cu un singur sens de rotaie i cu angrenajinterior, reversibile, pentru compresoare ermetice i semiermetice, la care nu poate fipredefinit sensul de rotaie;- un rcitor de ulei pentru rcirea uleiului refulat de pomp ntr-un schimbtor aflat fien afara compresorului, fie n interiorul carterului, rcirea realizndu-se fie cu ap, fiecu vapori de ageni frigorific aspirai;- un filtru suplimentar la ieirea din schimbtor pentru eliminarea impuritilormetalice sau de grafit (crbune), care utilizeaz site foarte fine ( n general 20 m) ipot fi prevzute uneori cu un magnet introdus pe circuitul de ulei;- un regulator de presiune (presostat diferenial de ulei) care menine presiunea dincircuitul de ungere la o valoare cu 2-3 bar peste presiunea de aspiraie, cu ajutorul uneisupape reglabile din exteriorul compresorului, amplasat de constructori nainte de


10

distribuia uleiului sau la sfritul circuitului. n ambele cazuri excesul de ulei estereintrodus n carter.- un distribuitor: n general uleiul curat i rcit circul prin canalul prevzut nvibrochen de unde este distribuit spre diferitele puncte de ungere menionate anterior:paliere, cuzinei, garnitura mecanic, etc. Acesta poate servi i ca fluid hidraulic motorpentru comanda variatoarelor de putere frigorific.Uleiul se poate rentoarce n carter prin urmtoarele puncte: neetaneiti interne ale

palierelor i manetoanelor, neetaneiti permanente ale presgarniturii, raclajul pereilorinterni ai cilindrilor, camerele de aspiraie, descrcarea supapei regulatorului, returulseparatorului de ulei.

La utilizarea freonilor, este adesea necesar meninerea temperaturii uleiului n carter,pe durata perioadelor de oprire n intervalul 50-60C, pentru a evita diluarea prea puternic auleiului cu agent frigorific. Aceast nclzire se realizeaz cu ajutorul unei rezistene electricemontate ntr-o teac de protecie, n baia de ulei, a crei temperatur este reglat de untermostat. n timpul funcionrii compresorului, rezistena nu mai este alimentat.

Reglarea puterii frigorifice Sistemul cel mai utilizat n compresoarele industrialeconst n blocarea supapei de aspiraie n poziie deschis, pentru cilindrul sau cilindrii carepractic vor fi suprimai din punct de vedere funcional. n acest scop, discul inelar al supaleieste ridicat prin diferite mijloace: tij ridictoare, piston inelar, etc. Fiecare din acestea sedeplaseaz n interiorul cmii cilindrului, cursa fiind foarte mic, astfel nct s corespundcursei supapei. Un asemenea sistem este prezentat n figura 1.7.

Fig. 1.7. Dispozitiv de reglare a puterii frigorifice1 corp supap de aspiratie; 2 arc supap de aspiratie;

3 garnitur toroidal; 4 carter; 5 corp supap de refulare;6 plac amortizoare refulare; 7 supap de aspiraie;8 cmaa cilindrului; 9 piston de reglare a puterii;10 supap de refulare; 11 scaun supap refulare;

12 arc piston de reglare; 13 piston; 14 scaun supap aspiraie;15 ghidaj piston de reglare

n general, aceste sisteme echipate cu resorturi pentru revenire sunt acionate prin unadin urmtoarele modaliti:

- presiunea uleiului admis printr-un ventil solenoidal cu trei ci;- presiunea vaporilor comprimai admii printr-un ventil solenoidal;- un dispozitiv mecanic acionat tot de presiunea uleiului.


11

Exist i un procedeu care utilizeaz un servomotor autonom, care menine constantpresiunea n carter (de aspiraie) la o valoare prestabilit. Acest dispozitiv este utilizat nspecial pe grupuri de rcire a apei.

n general, sistemul de reglare a puterii frigorifice prin eliminarea cilindrilor, poate sfie utilizat pe compresoare avnd minim trei cilindri, astfel nct s rmn suficieni cilindriactivi.

Mai pot fi menionate i alte dou modaliti de reducere a puterii frigorifice:- deschiderea unui orificiu de scurtcircuitare ntre doi cilindri;- deschiderea proporional a supapelor de aspiraie prin ntrzierea nchiderii, ceea ceconduce la reducerea debitului aspirat.Pornirea cu sarcin redus dac se aplic la toi cilindrii, permite utilizarea de

motoare electrice cu cuplu i curent absorbit mai reduse. Cilindrii sunt reintrodui n sarcinnormal atunci cnd presiunea n circuit se stabilizeaz, fie pe rnd, fie doi cte doi.

Sistemul de antrenare Compresoarele deschise sunt n general antrenate direct demotoare electrice cu 6 sau 8 poli, ceea ce face ca turaia s fie apropiat de cea de sincronism,adic pentru reele cu frecvena de 50 Hz: 1000 sau 1500 rot/min, respectiv pentru reele cufrecvena de 60 Hz: 1200 sau 1800 rot/min.

Se utilizeaz un cuplaj elastic rigid cu disc flector din oel sau elemente din cauciucntre dou manoane. Aceste compresoare sunt bine echilibrate dinamic i nu necesit volanteineriale.

n cazul n care compresorul este antrenat de un motor cu ardere intern, trebuiestudiat n mod serios problema cuplajului, innd seama de neregularitile ciclice ale rotaieicelor dou maini. Uneori s-ar putea s fie necesar utilizarea volanilor.

Compresoarele ermetice, sau cele semiermetice, sunt cuplate direct pe arborelemotorului electric ncorporat n carter.

1.2.3. Compresoare ermetice i semiermetice

Aceste tipuri de maini sunt specifice tehnicii frigului, deoarece freonii protejeaznfurrile electrice, ceea ce permite introducerea motorului n fluxul de agent frigorificvehiculat de compresor.

Principlul avantaj al acestor maini este c pe acelai arbore se gsesc motorul electrici ambielajul compresorului. n plus ansamblul se introduce ntr-o singur carcas etanpentru agentul frigorific, dispar problemele de aliniere a motorului cu compresorul iproblema traversrii carterului de ctre vibrochen, ca i problema garniturii mecanice.


12

Compresoarele ermetice sunt complet incluse ntr-o carcas metalic sudat i etancare face inaccesibile prile mobile i nu permite interveniile n interior. n figura 1.8 esteprezentat un compresor ermetic secionat, iar n figura 1.9 este prezentat un compresorermetic nefuncional, montat ntr-o carcas din sticl, pentru a se observa cum se prezintacest aparat n interior.

Fig. 1.8. Seciune printr-un compresor ermetic1 capsul etan; 2 rotor; 3 stator;4 amortizor de zgomot; 5 compresor


13

Fig. 1.9. Compresor ermetic montat ntr-o capsul din sticl

n figura 1.10 sunt prezentate cteva dintre cele mai importante pri componente aleunui compresor ermetic.

Fig. 1.10. Elemente componente ale compresoarelor ermetice


14

Compresoarele semiermetice permit demontarea att a motorului ct i acompresorului, fcnd posibile intervenii mecanice de ntreinere i depanare. O seciuneprintr-un compresor semiermetic este prezentat n figura 1.11.

Fig. 1.11. Compresor semiermetic1 bobinajul statorului; 2 rotor arbore cotit; 3 biel; 4 piston;

5 supap de aspiraie; 6 supap de refulare

Fa de compresoarele deschise, cele ermetice i semiermetice se disting prinurmtoarele particulariti:

Agenii frigorifici nu pot fi dect fluide neutre din punct de vedere al sistemuluielectric: de exempu R134a, sau R22. Vaporii de agent frigorific, aspirai sunt utilizai pentrurcirea nfurrilor electrice ale statorului i rotorului nainte de a ajunge n camera deaspiraie. Pentru temperaturi de vaporizare coborte (de exemplu -30C), dac debitul masicde vapori aspirai de compresor nu este suficient pentru rcirea motorului electric, trebuieprevzute ventilatoare exterioare pentru rcirea carterului.

Puterea maxim cu rare excepii nu poate s depeasc 45 kW pentrucompresoarele semiermetice, respectiv 30 kW pentru compresoarele ermetice.


15

Supapele sunt n general cu lamele. Trebuie reinut ns c mainile moderneutilizeaz din ce n ce mai mult supape asemntoare cu cele ale compresoarelor industriale.Un asemenea exemplu l reprezint sistemul DISCUS, reprezentat n figura 1.12.

Fig. 1.12. Sistemul DISCUS1 supap de refulare DISCUS; 2 canal de refulare; 3 canal de aspiraie

Aspiraia vaporilor se realizeaz traversndu-se placa supapelor. Supapa de aspiraieeste inelar, iar cea de refulare, supapa DISCUS, este o pies cilidro-conic realizat dintr-unmaterial plastic avnd urmtoarele proprieti: este uor, elastic, rezistent la aciunea uleiurilori a agenilor frigorifici, la temperaturi ridicate (pn la 480C). n plus, zgomotele produse desupapele metalice sunt practic eliminate. Utilizarea supapei de aspiraie inelar, necesit oprelucrare mecanic particular a capului pistonului, n vederea reducerii la minim a spaiuluimort, n limitele toleranelor de fabricaie. Prin utilizarea acestui sistem se obin randamentesuperioare i uzuri mecanice mai reduse.

Carterul este turnat dintr-o singur bucat i constituie att corpul compresorului cti al motorului, prezentnd uneori i aripioare de rcire. Este nchis pe partea compresoruluide suportul lagrului palier i al pompei de ulei, iar pe partea motorului, de un capac pe careeste prevzut un robinet de aspiraie, iar n interior un filtru pentru vaporii aspirai.

Cilindrii sunt n general n numr de 2-3 n linie, 4 n V i 6 n W. Sunt prelucraidirect n corpul carterului. Capacele cilindrilor sunt tot din font ca i carterul, iar gura devizitare este realizat pe partea compresorului. Se pot monta i dou compresoare n tandem,caz n care mai exist o pies intermediar care leag cele dou motoare montate spate nspate.


16

Variaia puterii frigorifice este n general mai simplu de realizat dect lacompresoarele industriale. Cele dou sisteme mai des ntlnite sunt urmtoarele:

- obturarea intrrii vaporilor n doi cilindri simultan;- deschiderea unui orificiu de scurtcircuit ntre doi cilindri, ca n figura 1.13.

Fig. 1.13. Sistemul de reglaj a puterii frigorificepentru un compresor semiermetic,

prin scurtcircuitarea dintre aspiraie i refulare

Pornirea n sarcin redus se realizeaz prin utilizarea de obturatori sau a unuicircuit exterior de by-pass cu un robint solenoidal de comand.

Ungerea n general se realizeaz sub presiune, cu o pomp de ulei care trebuie s fieobligatoriu reversibil, sensul de rotaie al compresorului putnd s fie indiferent.


17

1.2.4. Elemente auxiliare ale compresoarelor

Separator de ulei Este amplasat la refularea compresorului i are ca scop separareaunei pri ct mai mari din uleiul antrenat de agentul frigorific din sistemul de ungere, pentrua-l ntoarce n carterul compresorului. Separarea se bazeaz pe diferena de densitate dintrecele dou fluide i pe modificarea energiei cinetice a acestora, care se poate produce n maimulte moduri: centrifugare, modificarea brucs a direciei de curgere i creterea brusc aseciunii de curgere.

Fig. 1.14. Separator de ulei

n figura 1.14 este reprezentat un separator de ulei compus dintr-un corp cilindric(poate s fie orizontal sau vertical) n interiorul cruia exist icane, material de umplutur (deexemplu inele metalice), sau plase metalice, tricotate sau din pnz. Uleiul separat seacumuleaz n partea inferioar, de unde prin intermediul unui robinet cu flotor se rentoarcen carter.

Nu exist separatoare de ulei capabile s separe complet uleiul antrenat de agentulfrigorific din urmtoarele motive:

- chiar dac sunt foarte eficiente la debitul maxim de agent frigorific, eficienaacestora se reduce la scderea debitului;

- vaporii de ulei foarte calzi (100-130C) sub form de aerosoli nu pot s fie separaidect dac li se reduce tempertura pn n jurul valorii de 50C i sunt readui n starea depicturi prin coalescen.

Utilizarea separatorului de ulei este indispensabil la utilizarea amoniacului i poate sfie evitat la utilizarea freonilor, situaie n care nu exist n instalaie zone n care s fieposibil decantarea (rezervor de lichid sau butelie de joas presiune).

Aparate de msur Sunt indispensabile pentru verificarea condiiilor de funcionareale compresoarelor i sunt reprezentate n principal de:

- manometre sau traductori electronici de presiune, care se monteaz pe conductele deaspiraie i de refulare ca i pe circuitul de ulei;

- termometre sau traductori electronici de temperatur, care se monteaz n aceleaipuncte ca i manometrele.

Dispozitive de siguran Sunt dispozitive necesare pentru protecia mainiimpotriva situaiilor anormale de funcionare, care ar putea produce pagube materiale sauaccidente. Exist dou categorii de asemenea dispozitive: cu utilizare obligatorie i cuutilizare facultativ.


18

- Dispozitive cu utilizare obligatorie:- resort mpotriva lovitura hidraulice;- supap de siguran ntre aspiraie i refulare, pentru evitarea distrugeriicompresorului dac robinetul de refulare este nchis accidental n timpulfuncionrii compresorului;- presostat de nalt presiune, care protejeaz compresorul mpotriva creteriipresiunii de refulare i care acioneaz nainte de deschiderea supapei desiguran de nalt presiune, montat n circuit;- presostat de joas presiune, care previne scderea prea accentuat a presiuniidin vaporizator sau vaporizatoare;- presostat diferenial de ulei, care are un traductor cuplat la presiunea dincarter, iar cellalt traductor cuplat la refularea pompei de ungere i are ca scopsupravegherea valorii diferenei dintre cele dou presiuni, care trebuie sasigure ungerea corect a compresorului. Acest aparat este temporar scos dinfuncie n perioadele de pornire, pn cnd se atinge turaia nominal, perioadn care presiunea diferenial de ungere este mai redus dect valoarea minimacceptabil.- termostat de supranclzire (esenial la utilizarea amoniacului), careprotejeaz compresorul mpotriva unei temperaturi de refulare excesiv deridicate (de exemplu 130C).

- Dispozitive cu utilizare facultativ:- termostat pentru supapa de siguran, care se monteaz aproape de supapa desiguran intern i oprete compresorul dac supapa de siguran s-a deschis,caz n care s-ar produce supranclziri periculoase;- termostat de carter, care menine temperatura carterului n timpul opririicompresorului, la valori care s nu permit dizolvarea n ulei a agenilorfrigorifici;- termostat de "ulei prea rece", care mpiedic pornirea compresorului dactemperatura uleiului de ungere nu are o valoare convenabil (50-60C);

- Gestionarea electronic centralizat:- anumii constructori prevd o achiziie electronic de date privindfuncionarea, cu ncadrarea permanent n domeniile de siguran aparametrilor i vizualizarea valorilor acestora pe monitor.

1.3. Compresoare elicoidale sau compresoare cu urub

1.3.1. Scurt istoric

Introducerea acestora n tehnica frigului este relativ recent, 1955 pentrucompresoarele birotor, respectiv 1971 pentru compresoarele monorotor.

Interesul pentru utilizarea acestor maini n tehnica frigului a crescut rapid, iar n 1985erau instalate n lume n jur de 60000 de asemenea compresoare n diferite domenii deutilizare: congelare, rcire, grupuri pentru rcirea apei, pompe de cldur, etc. Pentru a leputea utiliza n toate domeniile tehnicii frigului, toi constructorii au realizat numeroasemodificri i adaptri, n vederea nlocuirii compresoarelor cu piston.


19

La ora actual s-au impus dou tipuri de asemenea compresoare, aa cum se observ ntabelul 2, care prezint civa furnizori de pe plan mondial i caracteristicile mainilorproduse de acetia. Se observ c o rspndire mult mai larg o au compresoarele birotor.

Tab. 1.3. Furnizori de compresoare elicoidale i caracteristicile acestoraara Constructorul Tipul Debit[m3/h] Variante

* Ageni

Bitzer birotor 84220 D SEamoniac

R22R502Germania

MAN G.H.H. birotor 209600 D toi agenii

Danemarca Sabroe birotor 96455 D amoniacR22APV Baker Ltd. monorotor 120660 D toi ageniiMarea

Britanie Howden birotor 236800 D toi ageniiDaikin monorotor 141201 SE R22Hitachi birotor 137767 D SE toi ageniiJaponiaMycom birotor 140214 D toi agenii

Olanda Grasso birotor toi ageniiSuedia Stal birotor 2455750 D toi agenii

Dunham Bush birotor 135769 E R22R502

Frick/York birotor 1263317 D amoniacR22S.U.A

Sullair birotor 627841 D toi agenii* D deschise; SE semiermetice; E ermetice


20

1.3.2. Compresorul birotor (dublu urub)

Comprimarea Cele mai importante elemente constructive de care depinde procesulde comprimare sunt geometria rotoarelor i volumul index.

- Rotoarele au cel mai adesea geometria realizat dup licena Sveridge RotorMaskiner (SRM), cu un rotor tat avnd 4 lobi i un rotor mam avnd 6 canale, can figura 1.17, dar exist i realizri cu 5 lobi i 6 respectiv 7 canale. Debitulacestor compresoare depinde de diametrul i lungimea rotoarelor, ca i de turaiaacestora.

Fig. 1.15. Rotor tat cu 5 lobi i rotor mam cu 7 canale

ncepnd din 1980, odat cu reducerea diametrelor rotoarelor pna la cca. 100 mm icreterea turaiei acestor rotoare mici pn la 2950 rot/min, au fost create noi tipuri de profilepentru rotoare, denumite Sigma. S-a demonstrat c pentru un anumit profil dat, exist o turaieperiferic optim u50 m/s pentru rotoarele SRM, respectiv u15-20 m/s pentru rotoareleSigma.

La ora actual diametrele rotoarelor variaz ntre 100 i 300 mm. Mrimilecaracteristice pentru aceste compresoare sunt diametrul D al rotorului i raportul L/D dintrelungimea i diametrul rotoarelor.


21

n figura 1.16 este reprezentat un compresor birotor orizontal, iar n figura 1.17 estereprezentat un compresor birotor vertical.

Fig. 1.16. Compresor birotor orizontal


22

Fig. 1.17. Compresor birotor vertical1- rotor tat; 2 rotor mam; 3 dispozitiv pentru reglarea puterii;

4 dispozitiv pentru reglarea volumului index

Debitul volumic al acestor maini se poate calcula cu relaia:

[ ]h/m60nD

LaDq 33v = (1.3)

unde: - a este un coeficient care depinde de tipul compresorului, de profilul i unghiul denfurare a lobilor;

- D i L sunt diametrul, respectiv lungimea rotorului;- n [rot/min] este turaia rotorului.- Volumul index (Vi) caracterizeaz geometria fiecrui compresor n parte, iar

randamentul indicat maxim i max se obine atunci cnd Rc=Vik, unde Rc esteraportul de comprimare, iar k este valoarea indicelui adiabatic, acesta din urmdepinznd de natura agentului de lucru.

De acest aspect trebuie s se in seama la alegerea compresorului, n funcie de tipulprocesului n care va fi utilizat (caracterizat de un domeniu precis pentru Rc), astfel nct Vi saib o valoare ct mai favorabil. Exist urmtoarele recomandri:

- Vi=2,5 pentru climatizare i pompe de cldur (Rc5);- Vi=3,5 pentru procese de rcire (Rc8);- Vi=5 pentru congelare la temperaturi sczute (Rc15).


23

Valorile recomandate pentru Vi au doar un caracter orientativ, dar reprezint valorilemedii uzuale pentru domeniile respective.

Din punct de vedere constructiv orificiul de aspiraie este fix, iar cel de refulare esterealizat din dou zone, una fix prelucrat n carter, iar una variabil, creat de o pies avnddimensiunea fixat la montaj, amplasat n sertarul de variaie a puterii frigorifice.

Carterul pentru aceste maini este realizat din font etan (Ft 25 i Ft 26), cilindriifiind prelucrai direct n corp, acesta din urm fiind calculat pentru o presiune de 25 bar, estesupus probelor hidraulice.

Rotoarele sunt construite din oel forjat sau din font cu grafit sferic, turnat sub vid,prelucrat mecanic cu mare precizie pe maini unelte cu freze multiple. La marea majoritate amainilor de acest tip, rotorul tat antreneaz rotorul mam, dar noile profile permit iantrenarea rotorului tat de ctre rotorul mam, ceea ce permite creterea vitezei i nconsecin a debitului vehiculat de compresor.

Lagrele: cele patru paliere sunt lise, cu bile sau cu rulmeni, eventual o combinaie acelor dou, datorit sarcinilor radiale mari. Aceste paliere sunt n general sensibilsupradimensionate.

Garnitura mecanic (presgarnitura) este necesar pentru compresoarele de deschise ise folosete acelai tip de garnitur ca la compresoarele cu piston.

1.3.3. Compresorul monorotor (monourub)

Comprimarea pentru aplicaiile din tehnica frigului, principalul constructor dinEuropa este societatea APV Baker Limited. Fabricaia este bazat pe dou serii, una cu unrotor satelit i cealalt cu dou rotoare satelit. Un compresor monorotor cu un satelit esteprezentat n figura 1.18.

Fig. 1.18. Compresor monorotor1 comanda sertarului de reglare a puterii frigorifice;

2 garnitur mecanic; 3 palier; 4 rotor; 5 satelii


24

Aceste maini sunt caracterizate de diametrul rotorului D, avnd valori uzuale ntre175 i 350 mm. Debitul circulat de aceste maini se poate calcula cu relaia:[ ]h/m60nBDq 33v = (1.4)unde: - B este un coeficient care depinde de geometria mainii fiind caracteristic fiecruiconstructor;

- D este exprimat n m.Uzual debitele au valori ntre 120 i 5000 m3/h.Aceste compresoare prezint aceeai particularitate n ce privete volumul index Vi, ca

i cele birotor.Rotorul este din font, datorit proprietilor mecanice i compatibilitii cu agenii

frigorifici i joac acelai rol ca i rotorul mam de la compresoarele birotor. Este realizat cu 6canale.

Rotoarele satelit sunt construite dintr-un material compozit, prezint 11 aripioare isunt antrenate de rotorul principal. Au acelai rol ca i rotorul tat, separnd practic maina ndou zone de comprimare independente identice (pentru variantele cu doi satelii).

Carterul este realizat dintr-o singur pies, prin turnare, nchide toate prile mobileavnd ns i capace demontabile pentru asigurarea accesului i montarea pieselor.

Lagrele pentru maina cu doi satelii sunt proporional mult mai puin solicitate fade compresoarele birotor, deoarece efectele de comprimare sunt echilibrate ca urmare asimetriei orizontale a mainii. Forele radiale sunt practic nule deoarece pe de-o parte canalelese sprijin pe faa cilindric extern a rotorului i pe de alt parte pe ambele fee ale rotoruluieste meninut presiunea de aspiraie. Efortul rezidual pe partea arborelui care iese n afareste preluat de un palier cu rulmeni.

1.3.4. Aspecte comune ale compresoarelor elicoidale

Sistemul de ungere asigur urmtoarele funcii:- ungerea palierelor portante, a garniturii mecanice i a pistonului de echilibrare;- comanda hidraulic a sertarului de variaie a puterii frigorifice i de pornire n gol;- ungerea rotoarelor care angreneaz unul cu cellalt;- etaneitatea ntre rotoare i ntre rotoare i stator, reducnd i pierderile dintre

partea de presiune ridicat i cea de presiun joas;- rcirea vaporilor comprimai, prin preluarea unei pri importante din cldur;Datorit acestei ultime funcii, este posibil ca un asemenea compresor s aib

temperatura de refulare ntotdeauna sub 100C, deoarece se injecteaz un debit de ulei de 0,5-1% din debitul total al acestuia, la o temperatur de 4060C.

Sertarul de variaie a puterii frigorifice este o pies esenial pentru funcionareacompresoarelor industriale, care n permanen trebuie s coreleze puterea prigorificsolicitat cu cea furnizat, respectiv s asigure variaia debitului vehiculat.

- La mainile birotor, sertarul este dispus la intersecia celor dou rotoare, culiseazaxial i elibereaz o parte mai mare sau mai mic din rotoare, realiznd i ontoarcere spre aspiraie a unei pri din vapori. Lungimea rotorului mascat desertar, realizez n continuare comprimarea. Comprimarea se realizeaz ca i cndraportul L/D ar fi variabil.

- La mainile monorotor, exist dou sertare situate de o parte i de alta a planuluiorizontal, care separ compresorul n dou jumti simetrice.


25

1.3.5. Tendine actuale

Principalele avantaje ale compresoarelor elicoidale, fa de cele cu piston sunturmtoarele:

- dimensiuni mai reduse;- greutate mai mic;- siguran mai mare n funcionare;- ntreinere mai redus;- nivel de vibraie redus;- antrenarea realizat de motoare cu doi poli.Dezavantajele sunt urmtoarele:- preul mai ridicat (serii de fabricaie mai reduse, deci mai scumpe);- importana i complexitatea mrit a circuitului de ungere;- nivelul de zgomot mai ridicat.Pentru a nu mri numrul de rotoare (datorit costurilor de fabricaie), anumii

constructori asigur antrenarea att de ctre rotorul tat, ct i de ctre rotorul mam, ceea cepermite realizarea cu aceeai pereche de rotoare, de debite n raportul 5 la 1. Ali constructoriprevd antrenarea rotorului tat prin intermediul unui multiplicator de turaie.

Progresele realizate n domeniul informaticii, att n ceea ce privete modelarea ct ifabricarea rotoarelor i simplificarea sistemului de ungere, au permis realizarea de maini maiieftine, mai simple (prin suprimarea sertarului) i mai silenioase, att deschise ct isemiermetice, ca n figura 1.19, sau chiar ermetice.

Fig. 1.19. Compresor elicoidal semiermetic1 motor electric; 2 sertar pentru reglarea puterii frigorifice;

3 comanda sertarului; 4 separator de ulei; 5 - rotor


26

1.4. Compresoare volumice rotative

n aceast categorie sunt incluse:- compresoare cu palete;- compresoare cu piston rotativ;- compresoare cu spirale (Scroll).Toate aceste maini sunt caracterizate de simplitatea aparent a construciei, datorat

numrului redus de piese n micare, dar care necesit tehnologii de fabriacaie scumpe.

1.4.1. Compresorul cu palete n rotor

Este un compresor volumic, utilizat n tehnica frigului nc din anii 1930, dar caredatorit problemelor legate de materialele componente nu a suferit dezvoltri ulterioare.

Partea principal a mainii este reprezentat de un stator cilindric n interiorul cruiase nvrte un rotor excentric, tangent la cilindru, aa cum se observ n figura 1.20.

Fig. 1.20. Schema compresorului cu palete n rotor1 cilindru; 2 piston rotativ; 3 lamele culisante; 4 spaiu de refulare;

5 spaiu de aspiraie; 6 arbore; 7 inele pentru limitarea cursei

Rotorul are prevzute canale radiale n care paletele pot s culiseze liber sub efectulforei centrifugale, pe care o imprim rotorul.

Noile materiale descoperite n industria aeronautic i posibilitatea de a se prelucra nserie profile complexe, pot s asigure din nou succesul acestor tipuri de maini. FirmaRotocold din Marea Britanie, realizeaz asemenea compresoare, special pentru tehnicafrigului i a adus cteva mbuntiri dintre care se menioneaz:

- Realizarea paletelor din materiale compozite (polimeri aromatici i fibr de sticl),uoare i rezistente, ceea ce permite atingerea de turaii ridicate (viteza perifericde cca. 25 m/s);

- Acoperirea paletelor cu un material autolubrifiant (teflon), asigur funcionareacorect i n cazul unei defeciuni pe circuitul de ulei;


27

- S-a realizat un dispozitiv de protecie mpotriva loviturilor hidraulice, prinechiparea compresorului cu o plac mobil situat la extremitatea rotorului,meninut n poziie normal de resorturi. O eventual suprapresiune datoratprezenei lichidului, deplaseaz placa mobil i astfel maina este protejatmpotriva oricror defeciuni mecanice;

- Uleiul de ungere este preluat dintr-un separator de ulei (la presiune ridicat) iinjectat ntr-un dublu circuit intern. Primul alimenteaz garnitura mecanicasigurnd ungerea i rcirea acesteia, ungerea rulmentului din fa i ungerea uneifee a rotorului. Al doilea circuit asigur ungerea rulmentului din spate i ungereacelei de-a doua fee a rotorului. Acest mod de funcionare elimin necesitateautilizrii unei pompe de ulei, ceea ce simplific mult construcia;

- Reglarea puterii frigorifice, n lipsa unui dispozitiv specializat, se realizeaz fieprin utilizarea unui motor de antrenare cu dou turaii, fie prin utilizarea unuidispozitiv de modificarea a frecvenei de alimentare.

Firma Rotocold are ca i caracteristici principalte pentru seria de compresoare cu 8palete, urmtoarele caracteristici:

- materiale componente: polimeri i fibre de carbon;- turaia nominal: 14504000 rot/min;- turaia maxim admis: 6000 rot/min;- debit: 12,880,4 m3/h;- ageni frigorifici: R22 i R502.


28

1.4.2. Compresor cu piston rotativ

Acest compresor este prezentat din considerente istorice, nefiind foarte rspndit nprezent. Poate fi considerat ca o variant a compresorului cu lamele n rotor, avnd ns osingur lamel, montat n stator, ca n figura 1.21.

Fig. 1.21. Compresor cu piston rotativ

Este utilizat nc din 1980 de cteva firme constructoare din Japonia, n special defirma Daikin, care folosete asemenea compresoare ermetice n aparate de climatizare, nfrigidere casnice i n grupuri compresor-condensator cu o putere de aproximativ 3 kW.


29

1.4.3. Compresorul cu spirale (Scroll)

Aceast main a fost inventat i brevetat n S.U.A. n 1905 i dezvoltat ulterior totn S.U.A. n anii 1970. Pentru prima dat au fost utilizate n frigidere casnice (de puterefrigorific redus) de firma DWM-Copeland, iar apoi n climatizare de firma Trane care le-afolosit i n grupuri de rcire a apei cu puterea frigorific de 35 kW. Totui nu exist nici unimpediment pentru realizarea unor asemenea compresoare de puteri frigorifice mai mari.

Comprimarea Acest compresor este prezentat n figura 1.22 i piesele principalesunt practic din dou spirale una n alta.

Fig. 1.22. Compresor Scroll

Spirala superioar unde se gsete orificiul de refulare este fix, n timp ce spiralainferioar este antrenat ntr-o micare orbital. Aspiraia se realizeaz prin zona periferic,iar refularea prin orificiul situat n centrul spiralei fixe.


30

Spirala fix este prezentat n figura 1.23, iar spirala mobil este prezentat n figura1.24.

Fig. 1.23. Spiral fix (stator)

Fig. 1.24. Spiral mobil (rotor)


31

Modul de funcionare al acestor tipuri de compresoare este ilustrat n figura 1.25.

Fig. 1.25. Principiul de funcionare al compresorului Scroll

- aspiraia n timpul deplasrii spiralei inferioare se formeaz dou zone prin caresunt aspirai vaporii de agent frigorific pn n momentul n care cele dou zone se nchid;

- comprimarea micarea spiralei antreneaz vaporii spre zona central, iar volumulocupat de vapori se reduce treptat ceea ce produce comprimarea acestora;

- refularea vaporii comprimai sunt evacuai prin orificiul din zona central.Se observ c n timpul funcionrii, cele trei faze (aspiraia, comprimarea i refularea)

se desfoar simultan, simetric i continuu, ceea ce reprezint o caracteristic important aacestui tip de compresor, care va fi supus unei variaii a cuplului mai redus dect n cazulcompresorului cu piston.

Compresorul nu necsit supape, fiind suficient o simpl clapet unisens, care smpiedice rentoarcerea vaporilor refulai. Raportul de comprimare este fix, iar coeficientul dedebit este foarte bun, pentru c nu exist spaiu mort.

Particulariti mecanice Compresorul nu prezint dect trei piese n micare, darpune probleme deosebite din urmtoarele puncte de vedere: etaneitate axial, etaneitateradial i evitarea rotaiei inverse a spiralei mobile.

- Etaneitatea axial este esenial innd seama de suprafaa spiralei mobile i deforele de presiune axiale datorate comprimrii, care tind s deprteze spirala mobil de ceafix. Principalii constructori utilizeaz diverse metode pentru rezolvarea acestei probleme:

- Aplicarea unei presiuni de vapori pe spatele spiralei fixe, pentru a o mpinge spre ceamobil. n acest scop n zona de nceput a comprimrii se practic un mic orificiu nspirala fix, care prezint totui o uoar capacitate de deplasare axial. Presiuneapracticat trebuie s fie suficient de mare ca s poat asigura etanarea, dar nu preamare pentru a nu provoca piederi datorate frecrilor excesive dintre cele dou spirale.La oprirea compresorului, cele dou spirale nu sunt n contact, ceea ce reduce cuplulde pornire.- Aplicarea unei fore elastice asupra spiralei mobile, prin intermediul unui resort;- Etaneitatea radial adic etaneitatea care trebuie s existe la contactul dintre cele

dou spirale. Pentru aceast problem exist de asemenea dou soluii tehnice:


32

- Prin antrenarea excentric liber a spiralei mobile, de ctre arborele motor, situaie ncare fora centrifug asigur contactul permanent dintre spiarale n a afel nct spiralamobil s rmn concentric cu cea fix;- Prin antrenarea spiralei mobile, utiliznd ca pies intermediar o maselot cuexcentric de tipul celei prezentate n figura 1.26. Antrenarea spiralei se realizeazexcentric fa de axul acesteia, care pivoteaz n orificiul prevzut n acest scop ncorpul maselotei. Deplasarea maselotei este limitat cu ajutorul unui tift.

Fig. 1.26. Mecanism de antrenare prin maselot cu excentric

Aceast soluie permite curarea spiralei mobile n cazul prezenei nedorite de lichidsau impuriti solide, evitndu-se astfel distrugerea compresorului.- Dispozitivul antirotaie soluia de antrenare a spiralei mobile, prezentat anterior,

caracteristic pentru compresoare ermetice asigur rotaia spiralei n sensul dorit. Lacompresoarele deschise se utilizeaz alte soluii tehnice care s realizeze acelai efect.

- Ungerea este asigurat de o pomp centrifugal imersat n baia de ulei din carter.Uleiul circul prin canale practicate n arborele de antrenare asigurnd ungerea palierelorarborelui, dar i palierul spiralei mobile. Uleiul antrenat de vapori asigur lubrifierea zonei decontact dintre spirale.

La ora actual cele mai numeroase utilizri ale acestor compresoare se ntlnesc ncondiionarea aerului.


33

1.5. Compresoare centrifugale

1.5.1. Scurt istoric

Compresoarele centrifugale au nceput s fie utilizate n tehnica frigului la nceputulsecolului. Cele mai importante repere cronologice sunt:

1910: n Germania se studiaz posibilitatea utilizrii acestor compresoare cu ageniifrigorifici cunoscui la momentul respectiv (SO2, CO2, NH3). Simultan compania Carier nS.U.A. experimenta cu aceste maini, diverse hidrocarburi i clorura de metilen.

1926: n Elveia, compania Brown Boveri realizeaz un compresor centrifugalfuncionnd cu amoniac, avnd o putere frigorific de 7000 kW, la realizarea unei temperaturide 15C. Ulterior aceeai companie a utilizat clorura de etilen i bromura de etilen pentruclimatizare.

1930: Compania american Kinetic Chemicals produce freoni avnd masa molecularmare, care se preteazte bine la utilizarea n aceste compresoare.

1933: Compania Carrier utilizeaz R11 pentru climatizare i R12, propan, respectivSO2, pentru realizarea de temperaturi mai sczute.

Dup al doilea rzboi mondial, dezvoltarea intens a domeniului condiionrii aerului,dar i a aplicaiilor care necesit temperaturi mai sczute, au favorizat att n Europa ct i nS.U.A. promovarea compresoarelor centrifugale.

Tab. 1.4. Tipuri de compresoare centrifugalerealizate de principalii furnizori

Monorotor cumultiplicator

ncorporat

Dublu rotor MultirotorFurnizor

Deschis Semiermetic Deschis Semiermetic deschisCarrier C, TS C,TS C,TS C,TS TSYork C, TS C, TS C, TS C, TS TSTrane C CC Climatizare; TS Temperaturi sczute


34

1.5.2. Generaliti

Compresoarele centrifugale sunt utilizate ntr-o mare varietate de instalaii frigorificei pentru condiionarea aerului.

Debitele volumice uzuale se ncadreaz ntre 200 m3/h n aeronautic i 55000 m3/h ncondiionarea aerului, iar turaiile ntre 3000 i 100000 rot/min. Debitele mici se realizeaz cudiametre mici i turaii mari, iar debitele mari cu diametre mari i turaii mici.

Compresoarele frigorifice centrifugale de puteri frigorifice mici realizeaz 15-95 kW,funcionnd cu R134a, sau R114, au dimensiuni foarte reduse, sunt antrenate de turbineacionate de aer, la turaii de peste 100000 rot/min i sunt destinate climatizrii cabineloravioanelor de transport.

Puterile frigorifice maxime ale compresoarelor centrifugale sunt limitate dedimensiunile acestora. De exemplu un asemenea compresor de 55000 m3/h pentruclimatizarea unui aeroport, are un diametru exterior de aproape 2m.

Temperaturile de vaporizare pe care le pot realiza se situeaz ntre +10C (climatizare)i -160C (lichefierea metanului). Presiunile de refulare pot ajunge la 21 bar, iar raportul decomprimare variaz ntre 2 i 30 (cu mai multe trepte de comprimare). Practic pot s fiecomprimaii toi agenii frigorifici.

n compresoarele frigorifice se pot monta maxim 10 trepte (etaje) de comprimare isunt posibile aspiraii multiple ntre trepte, la diferite nivele de temperatur, astfel nct uncompresor s poat realiza mai multe nivele de temperatur sczut. Se pot monta n serie maimulte compresoare, care s fie antrenate simultan, iar dac este necesar aceste compresoare cuantrenare unic pot s funcioneze cu mai muli ageni frigorifici.

n condiionarea aerului, datorit valorii reduse a raportului de comprimare (34),este posibil comprimarea n una sau dou trepte, deci pentru acest domeniu se utilizeazmaini simple.


35

1.5.3. Construcia compresoarelor centrifugale

Mainile utilizate n climatizare sunt realizate n general sub forma unor grupuri carecuprind compresorul, sistemul de antrenare, condensatorul, vaporizatorul, dispozitivul dedestindere i aparatele auxiliare.

Un model de rotor pentru compresoarele centrifugale este prezentat n figura 1.27.

Fig. 1.27. Rotorul unui compresor centrifugal

n figura 1.28 este prezentat modul de compunere a vitezelor ntr-un rotor decompresor centrifugal.

Fig. 1.28. Compunerea vitezelor n rotorul unui compresor centrifugal1 viteza radial; 2 viteza tangenial; 3 viteza rezultant; 4 turaia;

5 diametrul rotorului; 6 - debitul


36

Compresoarele sunt realizate n trei variante constructive: deschise cu multiplicator deturaie separat sau ncorporat, respectiv semiermetice.

Compresoarele deschise cu multiplicator separat, ca cel din figura 1.29, au aprut nordine cronologic primele, avnd la nceput dou trepte de comprimare.

Fig. 1.29. Compresor centrifugal deschis cu multiplicator separat.Varianta a

1 arbore din oel aliat; 2 lagre palier; 3 element friciune din carbon;4 carter inferior; 5 rotor din oel aliat

Primii ageni frigorifici utilizai n aceste compresoare au fost R11, R12, R114, R500,R502 i R22.

Cele mai importante caracteristici ale acestor compresoare sunt urmtoarele:- caterul este realizat din font oeloas avnd dou pri suprapuse, ambele avnd

cte o suprafa plan pentru montarea unei garnituri orizontale;- rotoarele sunt n general nchise avnd paletele ascunse n interior i fiind realizate

n una din urmtoarele variante:- integral din oel, cu palete separate, montate n canale practicate pe cele dou

fee ale roilor;- integral din oel, cu paletele frezate n una din cele dou fee, cealalt fiind

sudat de marginile roilor;- din aliaje de aluminiu lipite;

- labirinii (o parte fix din aluminiu i una rotitoare din oel) etaneaz zona depresiune ridicat fa de cea de presiune sczut, fiind strbtute de un debit foartesczut de agent frigorific, avnd i rolul de a mpiedica uleiul din circuitul deungere s ptrund n compresor;

- garnitura mecanic are o construcie asemntoare cu cea a compresoarelordeschise cu piston i etaneaz interiorul compresorului de exterior;

- pompa de ulei este montat la cellalt capt al arborelui, iar roile dinate suntimersate n baia de ulei aflat n partea inferioar a carterului;

- circuitul de ungere are urmtoarele elemente principale:- pompa de ulei cu roi dinate;- filtru foarte fin;- canalele de curgere a uleiului;


37

- punctele n care se realizeaz ungerea;- supap pentru reglarea presiunii de ungere;- rezisten electric pentru degazarea uleiului;- schimbtor de cldur pentru rcirea uleiului (rcitor de ulei);- pomp de ungere electric, pentru asigurarea ungerii la pornire i n perioadele

de oprire;- cuplajul multiplicatorului exterior este realizat din dou manoane danturate,

montate pe cei doi arbori (al compresorului i al multiplicatorului) i dintr-o piesintermediar de form cilindric avnd dantur interioar. Ansamblul este nchis ilucreaz ntr-o baie de ulei.

Varianta de compresor din figura 1.30 prezint un carter avnd forma simplificat, roimai simple, iar n difuzoare pot s existe opional i palete.

Fig. 1.30. Compresor centrifugal deschis cu multiplicator separat.Varianta b.

1 stator din font oeloas cu granulaie fin;2 rotor din aliaj de aluminiu; 3 pomp de ulei;

4 dispozitiv de prerotire; 5 garnitur mecanic; 6 cuplaj elastic

- La intrarea n primul rnd de roi poate s existe un dispozitiv mobil de reglare adebitului, denumit i dispozitiv de prerotire.

- Ungerea se realizeaz cu ajutorul unei pompe centrifugale.


38

Compresoarele deschise cu multiplicator ncorporat au construcia prezentat nfigura 1.31.

Fig. 1.31. Compresor centrifugal deschis cu multiplicator ncorporat1 cuplaj cu bar de torsiune; 2 dispozitiv de prerotire;

3 garnitur mecanic; 4 pinioane multiplicator;5 palier de turaie mare;6 palier de turaie mic; 7 pomp de ulei de turaie mare;

8 pomp de ulei de turaie mic; 9 rotor din aliaj de aluminiu

- Deoarece ansamblul compresor-multiplicator-motor nu este nici economic, nici uorde manevrat, unii constructori au montat multiplicatorul n carter;

- Unul din avantaje este acela c garnitura mecanic este plasat pe arborele de turaieredus, care este mai uor de etanat.

Compresoarele centrifugale semiermetice se utilizeaz n condiionarea aerului, underaportul de comprimare mai redus permite utilizarea a numai dou trepte de comprimare, la oturaie care poate fi realizat prin antrenarea direct utiliznd un motor electric cu doi poli. Oasemenea variant este prezentat n figura 1.32.

Fig. 1.32. Compresor centrifugal semiermetic


39

2. SCHIMBTOARE DE CLDUR

2.1. Noiuni introductive. Clasificare

Principalele schimbtoare de cldur din instaliile frigorifice i pompele de cldursunt vaporizatorul i condensatorul.

n componena acestor instalaii mai pot s existe i alte schimbtoare de cldur cumsunt:

- Subrcitoarele din instalaiile frigorifice funcionnd cu amoniac;- Schimbtoarele interne de cldur (regeneratoare) din instalaiile frigorifice cu

freoni.Cele mai importante criterii de clasificare a schimbtoarelor de cldur sunt:Natura agentului cu care agentul frigorific realizeaz transferul termic:

- gaze (n general aer);- lichide (n general ap).

Rolul funcional i tipul schimbtorului:- vaporizatoare

- rcitoare de aer (sau alte gaze);- rcitoare de ap (sau alte lichide).

- condensatoare- rcite cu ap (sau alte lichide);- rcite cu aer (sau alte gaze).

Condiiile de funcionare cele mai importante ce caracterizeaz regimul de lucru alschimbtoarelor de cldur din instalaiile frigorifice sunt:

- temperaturile i presiunile agenilor la intrarea i ieirea din schimbtor (n cazulrcirii aerului este important i umiditatea acestuia);

- diferena minim de temperatur ntre cei doi ageni;- modul de alimentare cu agent frigorific (n special pentru vaporizatoare);- prezena acumulrilor termice (cazul vaporizatoarelor acumulatoare de ghea).Sarcinile termice ale schimbtoarelor de cldur, care reprezint mrimile

fundamentale pentru proiectarea acestor aparate.Caracteristicile geometrice ale schimbtoarelor de cldur adic:- dimensiunile de gabarit (lungime, lime, nlime);- modul de dispunere a evilor;- pasul dintre evi;- dimensiunile evilor (diametru exterior i interior, sau diametrul exterior i

grosimea);- numrul de rnduri de evi (evi pe orizontal) i numrul de secii (evi pe

vertical).Caracteristicile funcionale, sunt cele care definesc performanele termice i

fluidodinamice ale schimbtoarelor de cldur. ntre acestea cele mai importante sunt:- coeficientul global de transfer termic;- pierderile de presiune pe circuitele celor doi ageni;- modul de automatizare a funcionrii (prin controlul presiunii agentului frigorific,

al givrajului, sau al compoziiei apei, etc.);Operaiile de ntreinere necesare reprezint o alt caracteristic important, iar cteva

exemple sunt:


40

- purjarea (gazelor necondensabile, uleiului, etc.);- curarea, degivrarea, desprfuirea, detartrarea;- tratamente auxiliare (dedurizarea apei, filtrarea, etc.).Clasificarea schimbtoarelor de cldur se poate realiza de exemplu dup natura

agenilor i rolul funcional:

Tab. 2.1. Clasificare a schimbtoarelor de cldurAgeni Vaporiztoare Condensatoare

Aer i gaze uscate Baterie cu aripioare Baterie cu aripioare

Aer i gaze umede Baterie cu aripioareCondensatoare cu evaporarea apei(natural sau forat)Turnuri de rcire

Schimbtoaremultitubulare- agentul rece n evi- agentul rece ntre evi

Schimbtoare multitubulare- agentul cald n evi- agentul cald ntre evi

Schimbtoare cu plci

Ap i lichide

Schimbtoare coaxiale

2.2. Construcia schimbtoarelor de cldur

Indiferent de modul n care sunt clasificate schimbtoarele de cldur utilizate ntehnica frigului, exist patru modaliti tehnice de realizare a acestora, dintre care primeledou sunt cele mai rspndite:

- Schimbtoare multitubulare;- Baterii cu aripioare;- Schimbtoare cu plci;- Schimbtoare coaxiale.

2.2.1. Schimbtoare de cldur multitubulare

Aceste aparate sunt construite n principiu dintr-un fascicul de evi, montate n douplci tubulare i nchise ntr-o manta prevzut cu capace, aa cum se observ n figura 2.1.

Fig. 2.1. Schema funcional a unui schimbtor de cldur multitubular


41

n general evile sunt laminate i destinate special construciei schimbtoarelor decldur. Cele mai utilizate materiale sunt:

- oeluri pentru temperaturi medii sau joase;- cupru;- aliaje cupru-nichel n diferite compoziii (de exemplu 70/30%, sau 90/10%);- aliaje cupru-aluminiu n diferite compoziii (de exemplu 93/7%, sau 91/9%);- diferite tipuri de aliaje cu zinc ntre 22 i 40%;- oeluri inoxidabile.Exist o mare varietate de diametre pentru care sunt produse aceste evi, dar n

general, pentru schimbtoarele de cldur se prefer evi cu diametre ct mai mici, careasigur un transfer termic mai intens i construcii mai compacte, dar se vor avea n vedere iaspectele legate de pierderile de presiune i de colmatare.

Utilizarea intens n ultimii ani a freonilor, caracterizai prin coeficieni de transfertermic mai redui, a dus ntre altele i la producerea de schimbtoare multitubulare, dar nunumai, n care se utilizeaz evi speciale pentru mbuntirea condiiilor de transfer termic.

n figura 2.2 sunt prezentate evi cu nervuri spiralate, care se utilizeaz n special laconstrucia vaporizatoarelor:

Fig. 2.2. evi cu nervuri spiralate

n figura 2.3. este prezentat o eav cu nervuri exterioare joase, realizate prinextrudare, din materialul de baz al evii. Dup extrudare, diametrul exterior al prilor lise aleevilor, este egal cu diametrul exterior al nervurilor, ceea ce permite o montare uoar nplcile tubulare. Pasul dintre nervuri este n mod uzual de (0,81,5) mm, iar nlimeanervurilor este de aproximativ (11,5) mm. Aceste evi pot s asigure un raport ntresuprafaa exterioar a evilor nervurate i suprafaa interioar a acestora de 35, ceea cereprezint o cretere semnificativ a suprafeei exterioare de transfer termic.

Fig. 2.3. eav cu nervuri joase, obinute prin extrudare


42

n figura 2.4. sunt prezentate cteva tipuri de evi cu aripioare ondulate. Aceste evi seutilizeaz n special la construcia vaporizatoarelor. Pe eava de baz se monteaz prin sudareelicoidal, o band ondulat. Asemenea construcii se pot realiza pentru evi avnd diametrentre (839) mm. nlimea nervurilor este de 9 mm, iar grosimea acestora variaz ntre0,20,3 mm. Raportul dintre suprafaa exterioar i cea interioar este de 916.

Fig. 2.4. evi cu nervuri ondulate

n figura 2.5. este prezentat o eav cu nervuri n form de ace. Acestea se utilizeazn special la construcia condensatoarelor. Exteriorul evilor se aseamn cu o perie metlic,ceea ce asigur o suprafa i o intensitate a transferului termic, foarte ridicate. Aceste tipuride evi sunt eficiente n primul rnd pentru transferul cldurii n medii gazoase i n particularn aer.

Fig. 2.5. eav cu nervuri aciforme

n figura 2.6. sunt prezentate cteva evi cu miez n form de stea, care se utilizeaz laconstrucia vaporizatoarelor cu fierbere n interiorul evilor. Suprafaa interioar este mritprin introducerea n evi a miezurilor realizate din aluminiu i avnd uzual cinci sau zece raze.Problema tehnic a realizrii acestor evi o reprezint asigurarea contactului termic dintreeava de baz i miez, realizat prin introducerea forat a miezului. Intensitatea transferuluitermic este mrit dac se realizeaz i rsucirea miezului de 23 ori pe fiecare metru deeav.


43

evile cu miez n form de stea pot avea diametre de 1619 mm i grosimea de 1mm. Raportul dintre suprafaa interioar i cea exterioar este de 2 n cazul miezurilor cu 5raze i 2,7 n cazul miezurilor cu 10 raze.

Fig. 2.6. evi cu miez n form de stea

n figura 2.7. sunt prezentate cteva modele de evi cu nervuri interioare. Aceste evise pot utiliza i la vaporizatoare i la condensatoare. Nervurile sunt realizate din eava debaz, ceea ce asigur un transfer termic foarte bun. exist numeroase forme ale nervurilor igrade de rsucire. Fa de evile lise, coeficientul global de transfer termic crete mult datoriturmtoarelor efecte:

- creterea suprafeei de transfer termic;- drenajul prin capilaritate a fazei lichide, care formeaz un film subire pe suprafaa

interioar nervurat;- rotirea filmului de lichid, datorit rsucirii (nclinrii) nervurilor.

Fig. 2.7. evi cu nervuri interoare


44

n figura 2.8. sunt prezentate dou evi cu suprafaa neregulat montate una n alta.Asemenea evi se pot utiliza eficient n construcia condensatoarelor i a vaporizatoarelor,sunt foarte moderne i se produc n Japonia, SUA, Germania sau Frana. Suprafeele evilorprezint diferite tipuri de caviti, proeminene piramidale sau asperiti, realizate prin diverseprocedee tehnologice noi. Suprafeele neregulate ale acestor evi pot intensifica transferultermic n cazul schimbrii strii de agregare, pentru c favorizeaz amorsarea fierberii,respectiv a condensrii. Din acest motiv aceste evi mai sunt numite i evi de nucleaie.

Fig. 2.8. evi cu suprafee neregulate

n figura 2.9. este prezentat o eav din materiale compozite. Asemenea evi se potutiliza i n condensatoare i n vaporizatoare, atunci cnd condiiile de transfer termic suntmediocre att n interior ct i n exteriorul evilor. Aceste evi combin avantajele nervurilorexterioare cu cele ale generatoarelor interioare de turbulen. Exist mai multe variante deasemenea evi ntre care se pot aminti evi cu nervuri elicoidale la interior i structurpiramidal la exterior, sau evi cu nervuri elicoidale att la interior ct i la exterior.Diametrele pentru care se produc asemenea evi sunt de 1019 mm, iar raportul dintresuprafaa exterioar i cea interioar este de 1,52.

Fig. 2.9. eav realizat din materiale compozite

Calitatea materialelor din care se realizeaz evile, ca i materialele din care serealizeaz acestea trebuie s fie dintre cele mai bune deoarece n timpul funcionrii, acesteasunt supuse coroziunii i unor solicitri care le pot distruge, sau le pot diminua capacitatea detransfer termic.


45

n figura 2.10 este prezentat o eav nervurat corodat n exterior pe duratafuncionrii, iar n figura 2.11 este prezentat o eav nervurat corodat n interior.

Fig. 2.10. Teav nervurat corodat la exterior

Fig. 2.11. eav nervurat corodat interior

n figura 2.12 este prezentat uzura aprut pe o eav n zona de montare pe suport.

Fig. 2.12. eav uzat datorit suportului

n figurile 2.13 i 2.14 sunt prezentate evi distruse datorit solicitrilor la care au fostsupuse n timpul funcionrii.

Fig. 2.13. eav spart datorit presiunii gheii formate n interior

Fig. 2.14. eav fisurat longitudinal


46

Din ultimele dou imagini se observ c evile nu se fisureaz transversal, cilongitudinal, sau se sparg (crap).

Plcile tubulare se utilizeaz pentru fixarea evilor n fascicul i se monteaz laextremitaile mantalei aa cum se observ n figura 2.1. Dac este necesar, pentru susinereafasciculului de evi se utilizeaz i supori. Pentru realizarea plcilor tubulare i a suporilor sepot utilizea urmtoarele materiale n funcie de natura agenilor i agresivitatea acestora fade aceste materiale:

- oeluri pentru ageni frigorifici, ap dulce sau ageni intermediari de rcire frsruri;

- cupru pentru freoni, dar nu i pentru amoniac;- bronz pentru ap de mare sau ageni intermediari pe baz de sruri;- oel placat cu oel inoxidabil pentru ageni agresivi;- oel inoxidabil pentru lichide alimentare.Orificiile sunt practicate n plcile tubulare i n plcile suport, astfel nct s formeze

de regul hexagoane (sau triunghiuri eliciodale). Uneori gurile, respectiv evile se dispun nform de coridor (sau ptrate), iar uneori n form de cercuri concentrice, ca n figura 2.15, ncare a este numrul de evi pe latura hexagonului, respectiv ptratului exterior, iar b estenumrul de evi pe diagonala hexagonului exterior. n vederea unei montri uoare a evilor nfascicul prin plcile tubulare i supori, gurile din acestea se realizeaz simultan, (toateodat).

Fig. 2.15 Moduri de dispunere a evilor n plcile tubularea dup hexagoane; b dup ptrate; c dup cercuri concentrice


47

n cazul cel mai des ntlnit, al hexagoanelor, de regul pasul dintre evi este deaproximativ 1,25 diametrul exterior al evilor. Gurile din plcile tubulare se finiseaz n moddiferit, n funcie de procesul tehnologic de montare a evilor. Astfel pentru evile sudateelectric sau brazate se realizeaz o alezare urmat de amfrenare, iar pentru evile mandrinatese realizeaz o alezare urmat de realizarea unor canale interioare, aa cum se observ nfigura 2.16. Mandrinarea se ralizeaz astfel nct n urma deformrii evilor, acestea s sefixeze n canalele prevzute n gurile de fixare.

Fig. 2.16. Procedeele uzuale de fixare a evilor n plcile tubulare

Mantaua schimbtoarelor de cldur multitubulare se calculeaz astfel nct s aib undiametru interior care s permit montarea fasciculului de evi. Grosimea mantalei sedetermin din calculul de rezisten, astfel nct s reziste la presiunea de lucru a agentuluidintre evi i manta (minim 4 bar). Materialul din care se realizeaz mantalele este oelul.Pn la diametre de cca. 400 mm, acestea se realizeaz din evi avnd diametrelestandardizate. Pentru diametre mai mari, mantalele se realizeaz din virole obinute prinroluire. Sudurile prin care se realizeaz asamblarea virolelor n manta, trebuie controlate prinmetode defectoscopice nedistructive (cel mai adesea raze ). Dup montare schimbtoarele decldur multitubulare sunt supuse unor probe hidraulice de etanitate la presiuni ceva maimari dect cele nominale.


48

Capacele au rolul de a realiza circulaia agentului din interiorul evilor. icanelemontate pe capace asigur numrul de drumuri prin interiorul evilor, astfel nct s serealizeze vitezele de curgere dorite. Tot pe capace sunt montate racordurile de intrare/ieirepentru agentul care curge prin evi. De obicei numrul de treceri este par, pentru caracordurile s fie montate pe un singur capac. La aparatele de dimensiuni mari, capacele suntdemontabile pentru a permite curarea interioar a evilor, iar fixarea capacelor se realizeazprin uruburi pe flanele prevzute n acest scop la exteriorul plcilor tubulare. Capacele serealizeaz prin turnare, cel mai adesea din font. Cteva tipuri de capace sunt prezentate nfigura 2.17.

Fig. 2.17. Tipuri de capace

2.2.2. Baterii schimbtoare de cldur cu aripioare

Bateriile cu aripioare se utilizeaz att pentru construcia condensatoarelor rcite cuaer ct i pentru cea a vaporizatoarelor rcitoare de aer i sunt realizate din tevi pe care semonteaz aripioarele. Construciile rezultate sunt de tipul celor prezentate n figura 2.18.

Fig. 2.18. Baterie cu aripioare


49

n figura 2.19 sunt prezentate cteva detalii constructive ale bateriilor cu aripioare.

Fig. 2.19. Detalii constructive ale bateriilor cu aripioare

evile se realizeaz n principiu din acelei materiale ca i cele de la schimbtoarele decldur multitubulare, dar predomin oelul i cuprul.

Tendina ultimilor ani n construcia acestor aparate este de a se reduce ct mai multdiametrul evilor, n scopul mbuntirii coeficientului global de transfer termic, a reduceriimasei schimbtoarelor i a ncrcturii de agent frigorific, pe fondul reducerii globale acosturilor. Pentru evile din oel, diametrul interior este n jur de 20 mm, iar pentru cele dincupru, diametrul minim este n jur de 910 mm. Grosimile evilor sunt relativ mici, pentruoel n jur de 1 mm, iar pentru cupru chiar sub 0,5 mm. n aparatele de acest tip utilizate cavaporizatoare sau condensatoare, deci n care se realizeaz schimbarea strii de agregare, seutilizeaz adesea evi speciale, de tipul celor prezentate n paragraful referitor laschimbtoarele de cldur multitubulare.

Pentru dispunerea evilor se adopt n general una din cele dou variante prezentate nfigura 2.20:

- n triunghiuri echilaterale (n ah);- n ptrate (n coridor).Dispunerea evilor dup triunghiuri echilaterale asigur un coeficient de transfer

termic mai bun, dar cu pierderi de presiune mai mari, n timp ce dispunerea n ptrate asigurun transfer termic mai puin performant, dar caracterizat prin pierderi de presiune mai reduse.

Fig. 2.20. Dispunerea evilor n baterii cu aripioare


50

Nervurile, denumite la aceste construcii i aripioare sau nervuri continue, se potrealiza din oel, aluminiu sau cupru. Cele mai des utilizate sunt combinaiile:

- evi din oel i aripioare din oel;- evi din cupru i aripioare din aluminiu.Mai sunt posibile i combinaii ca:- evi din oel i aripioare din aluminiu;- evi din cupru i aripioare din cupru;- evi din oel inoxidabil i aripioare din oel inoxidabil.n figura 2.21 sunt prezentate n seciune dou evi pe care au fost montate nervuri

continue lamelare.

Fig. 2.21. evi cu nervuri lamelare

Cele mai rspndite tipuri de aripioare sunt prezentate n figurile 2.22 i 2.23:- nervuri plane continue;- nervuri nfurate.

Fig. 2.22. Nervuri plane continue


51

Fig. 2.23. Nervuri nfurate

Eficiena termic a nervurilor este cu att mai bun cu ct:- materialul din care sunt confecionate are o conductibilitate termic mai bun

(aceasta crete n ordinea: oel inoxidabil, oel, aluminiu, cupru);- nlimea nervurilor este mai redus;- grosimea nervurilor este mai mare;- contactul cu evile de baz este mai bun.n general, pentru evi din oel cu diametrul de cca. 20 mm, nlimea nervurilor este

de 2530 mm, iar grosimea de 0,30,4 mm, n timp ce pentru evile subiri din cupru,nlimea nervurilor este de 1020 mm, iar grosimea acestora este de 0,10,3 mm.

Dou carcteristici geometrice importante ale nervurilor de acest tip sunt pasul adicdistana dintre axele a dou nervuri consecutive i distana dintre dou nervuri, adic distanadintre flancurile opuse a dou nervuri consecutive. Pentru condensatoare, pasul minimacceptat este de cca. 2 mm, iar pentru vaporizatoare este de cca. 4 mm. n cazulvaporizatoarelor industriale din oel cu depuneri masive de zpad, pasul dintre nervuri poates ajung pn la cca. 30 mm.

Nervurile plane continue se realizeaz prin tanare dintr-o singur trecere astfel ncts rezulte i bordurile pentru fixare pe teav, generatoarele de turbulen (fomele de pesuprafeele laterale) i orificiile de uurare, reprezentate n figura 2.22. Aceste nervuri semonteaz n pachete de nervuri, pe dispozitive denumite piepteni, care s asigure pasul dorit.Urmeaz montarea evilor n gurile practicte n nervuri. Asigurarea contactului termic dintreevi i nervurile plane continue se realizeaz n general prin gonflare hidraulic, sau mecanic,prin trecerea forat prin interiorul evilor, a unor bile calibrate, de diametru ceva mai maredect cel interior al evilor. n acest al doilea caz se imprim bilelor o energie cinetic foartemare, iar aceastea trec prin evi ntr-o manier asemntoare unor gloane i foreazgonflarea evilor, respectiv asigurarea contactului termic dinte evi i nervuri.

Nervurile nfurate se realizeaz prin nfurarea n jurul evii a unei benzi din tabl,cu ajutorul unui dispozitiv special destinat acestui scop.

Asamblarea evilor nervurate (indiferent de tipul nervurilor), se realizeaz prinmontarea la capete a unor plci n care se fixeaz toate evile i care constituie i un cadru albateriei, aa cum se observ i n figura 2.18.


52

Unii productori de asemenea aparate, realizeaz module din anumite tipuri de evi iaripioare, ca n figura 2.24.

Fig. 2.24. Module din evi cu aripioare

Parametrii geometrici care definesc aceste module sunt:- pasul dintre nervuri;- lungimea nervurat (sau lungimea evilor);- numrul de evi din modul (pe adncime i pe nlime);- diametrul evilor.Parametrii fizici care se por defini n vederea efecturii calculelor termice i

aerodinamice ale acestor schimbtoare de cldur sunt:- numrul de rnduri de evi pe vertical;- numrul de rnduri de evi pe orizontal;- suprafaa total de transfer termic;- raporul dintre suprafaa exterioar i suprafaa interioar;- suprafaa frontal n sensul de curgere a aerului;- suprafaa liber de curgere a aerului.n vederea protejrii anticorozive a mediului n care vor funciona aceste aparate (aerul

atmosferic, aerul marin, aerul din diverse localuri), se realizeaz diverse tipuri de acoperiri:- galvanizare utilizat n cazul evilor i nervurilor din oel n vederea protejrii

mpotriva ruginirii prin acoperire cu zinc i a asigurrii unui contact termic foartebun;

- ematare utilizat n cazul evilor i nervurilor din cupru,pentru acoperireaacestora cu rini poliuretanice.

Dup montare, bateriile sunt supuse unor probe hidraulice de etaneitate, apoi suntuscate i deshidratate, ncrcate cu azot la presiune sczut, nchise i pstrate n vederealivrrii.


53

Alte tipuri de serpentine sunt cele prezentate n figurile 2.25 i 2.26.

Fig. 2.25. Serpentine pentru realizarea de congelatoare cu plci

Fig. 2.26. Serpentine montate ntr-un schimbtor de cldur de tippanou

2.2.3. Schimbtoare de cldur cu plci

Aceste aparate sunt realizate prin mbinarea de plci care realizeaz ntre ele spaiiprin care circul agenii care schimb cldur. Aceti ageni ocup alternativ spaiile dintreplcile schimbtorului de cldur, astfel nct s nu se amestece ntre ei. n consecin, spaiiledintre plci trebuie s fie etanate fa de exterior i fa de spaiile n care se gsc ali ageni.De asemenea sistemul de etanare trebuie s permit trecerea agenilor dintr-un spaiu n altul,uneori prin traversarea spaiilor destinate altor ageni. Aceste schimbtoare trebuie s aib celpuin dou plci, ca n cazul unor tipuri de vaporizatoare.

Exist patru variante tehnologice de realizare a schimbtoarelor de cldur cu plci:- cu plci i garnituri demontabile;- cu plci sudate;- cu plci brazate;- cu plci avnd circuite imprimate.


54

Schimbtoarele cu plci i garnituri demmontabile sunt de tipul prezentat n figura2.27. Plcile ntre care se introduc garniturile, se monteaz mpreun ntre o plac de baz iuna mobil. Plcile pot s fie demontate n vederea currii. Fixarea plcilor se realizeaz cuajutorul unor tirani. Din punct de vedere hidraulic se pot realiza curgeri n contracurent sau nechicurent.

Fig. 2.27. Schimbtor de cldur cu plci i garnituri demontabile

n figura 2.28 este prezentat schema de curgere a agenilor de lucru ntr-unschimbtor de cldur cu plci.

Fig. 2.28. Schema de curgere n schimbtoarele cu plci

Materialele din care se realizeaz plcile depind de natura agenilor de lucru, iar celemai utilizate sunt:

- oeluri inoxidabile;- aliaje de aluminiu;- aliaje de titan;- aliaje cupru-nichel.Grosimea plcilor poate s varieze ntre 0,61,1 mm, sau chiar mai mult.


55

Pentru garnituri se pot utiliza de asemenea mai multe materiale n funcie detemperaturile de lucru:

- nitril (tmax = 110 C);- butil (tmax = 135 C);- etilen-propilen (tmax = 155 C);- Viton (tmax = 190 C);Domeniul temperaturilor de lucru pentru aceste aparate poate s varieze ntre

50+190 C.Presiunile nominale maxime de lucru pot s ajung pn la 1620 bar, iar diferena

maxim dintre presiunile circuitelor poate s ajung pn la 912 bar i n mod excepionalla 20 bar.

Schimbtoarele cu plci sudate au plcile asamblate nedemontabil prin sudare. Dinaceast categorie fac parte:

- plcile dulapurilor de congelare, realizate din profile de aluminiu sudate, pentru aforma platanele pe care se pstreaz produse i canalele de curgere pentru agentulfrigorific care vaporizeaz;

- schimbtoarele de cldur realizate din plci ambutisate i sudate ca n figura 2.29,pentru a se asigura rezistena mecanic i curgerea agenilor, de regul ncontracurent.

Presiunile nominale maxime pot s ajung pn la 3040 bar, iar domeniul detemperaturi ntre care pot s lucreze este de 200+200 C.

Fig. 2.29. Schimbtoare de cldur din plci sudate

Schimbtoarele cu plci brazate sunt realizate cu plci din oel inoxidabil asamblateprin brazare (lipire) cu ajutorul unui aliaj pe baz de cupru, n cuptoare sub vid. Ansamblulschimbtoarelor de cldur de acest tip este prezentat n figura 2.30. Se pot utiliza cavaporizatoare sau ca schimbtoare interne de cldur, dar numai pentru ageni curai, deoarecenu se pot cura dect prin splare chimic.


56

Compactitatea acestor aparate este foarte mare.

Fig. 2.30. Schimbtor de cldur din plci brazate care poate funcionaca vaporizator sau condensator

Schema de curgere a fluidelor n schimbtoarele de cldur brazate este prezentat nfigura 2.31.

Fig. 2.31. Schema de curgere a fluidelor n schimbatoarele cu plcibrazate

Schimbtoarele de cldur cu plci avnd circuite imprimate sunt realizate din plcimetalice plane, avnd gravate pe suprafa circuite fine (cca. 1 mm), prin metode chimice.Plcile sunt asamblate n blocuri prin nclzire i presare, procedeu denumit i sudare subpresiune. Canalele sunt legate la dou perechi de colectoare, pentru a forma dou circuiteseparate. Din aceste plci se pot realiza condensatoare i vaporizatoare foarte compacte.

n prezent aceste tipuri de aparate sunt n curs de perfecionare n special n Australiai Marea Britanie.


57

2.2.4. Schimbtoare de cldur coaxiale

Aceste schimbtoare de cldur, de tipul celor prezentate n figura 2.32, sunt utilizaten special pentru lichide, fiind realizate din dou evi coaxiale. n cazul vaporizatoarelor, cndagentul frigorific circul prin interior, eava interioar poate s fie prevzut cu nervuri, saupoate fi nlocuit cu mai multe evi, situaie n care eava exterioar are rolul unei mantale.Ansamblul acestor evi este nfurat elicoidal pentru a mri suprafaa de transfer termic fr amri sensibil gabaritul aparatului.

Fig. 2.32. evi i schimbtoare de cldur coaxiale

Schimbtoarele de cldur coaxiale prezint urmtoarele avantaje:- performane de transfer termic ridicate, mai ales dac se utilizeaz evi cu

suprafee neregulate;- la sarcini termice egale, sunt mai puin masive dect construciile multitubulare;- curgerea i transferul termic se realizeaz n contracurent;- au o mare compactitate;- prezint o ncrctur redus cu agent frigorific.Dezavantajul cel mai important pe care l prezint, l constituie faptul c nu se poate

realiza curarea dect prin splare chimic.Materialele utilizate pentru realizarea evilor l reprezint oelul i aliajele cupru-

nichel. Presiunile nominale maxime pot s ating valori de 1525 bar, iar temperaturilemaxime sunt de 20140 C.

Pot fi utilizate ca i condensatoare, vaporizatoare, subrcitoare, prenclzitoare,desupranclzitoare, recuperatoare de cldur, etc.


58

2.3. Vaporizatoare

n orice main frigorific, vaporizatorul este aparatul care absoarbe cldura dinmediul rcit, realiznd efectul util al mainii. Din acest punct de vedere se poate considera ceste unul din cele mai importante aparate ale instalaiilor frigorifice i simplificnd, se poateconsidera chiar c restul instalaiei nu are dect rolul de a permite ntoarcerea agentuluifrigorific lichid n vaporizator.

Exist numeroase tipuri de vaporizatoare, n funcie de destinaia acestora, totui seremarc dou categorii importante:

- vaporizatoare pentru rcitrea aerului;- vaporizatoare pentru rcirea lichidelor.Proiectarea i alegerea corect a vaporizatoarelor are o importan mare pentru

funcionarea corect a instalaiilor frigorifice i pentru eficena acestora. Un vaporizator greitdimensionat poate s produc o scdere excesiv a temperaturii de vaporizare, iar la reducereaacesteia cu fiecare grad, corespunde i o reducere a puterii frigorifice cu cca. 34%. Acestaeste i motivul pentru care nu se poate disocia vaporizatorul de sistemul su de alimentare culichid. n practic, adesea fiecrui tip de vaporizator i corespunde un sistem propriu dedestindere a agentului frigorific.

2.3.1. Vaporizatoare pentru rcirea aerului

Aceste vaporizatoare pot s fie utilizate la fel de bine i pentru rcirea aerului i pentrurcirea altor gaze. Atunci cnd aerul conine umidiate (vapori de ap), la dimensionareavaporizatoarelor se va ine seama de acest lucru, deoarece la temperaturi ale suprafeeivaporizatorului peste 0C, dar sub temperatura punctului de rou, pe suprafaa vaporizatoruluise va depune umiditate, iar dac temperatura suprafeei de transfer termic scade sub 0C,aceast umiditate se va transforma n brum sau zpad. Prezena zpezii pe suprafaavaporizatoarelor, este un fenomen foarte frecvent i influeneaz construcia acestor aparate,n special mrimea pasului dintre aripioare.

n funcie de modul de circulaie a aerului, vaporizatoarele pentru rcirea aerului sempart n dou categorii:

- cu circulaie natural;- cu circulaie forat.


59

2.3.1.1. Vaporizatoarele cu circulaie natural a aerului

Aceste aparate se pot monta pe tavanul camerelor frigorifice ca n figura 2.33, sau pepereii acestora, ca n figura 2.34 unde este reprezentat o baterie de rcire cu evi liserespectiv n figura 2.35 unde este reprezentat o baterie de rcire cu evi avnd aripioare.

Fig. 2.33. Rcitor de aer de tavan, cu circulaie natural a aerului

Fig. 2.34. Rcitor de aer de perete, cu circulaie natural a aerului ievi lise

1 serpentin; 2 suport; 3 - brid


60

Fig. 2.35. Rcitor de aer de perete, cu circulaie natural a aerului ievi avnd aripioare

1 serpentin; 2 aripioare; 3 suport; 4 - brid

Aceste tipuri de vaporizatoare se utilizeaz atunci cnd se dorete o circulaie redus aaerului i o uscare pronunat a acestuia la temperaturi pozitive, de exemplu n camere pentrupstrarea brnzeturilor. Se utilizeaz asemenea vaporizatoare i pentru temperaturi negative,de exemplu n cazul pstrrii produselor alimentare semipreparate sub form congelat, dar latemperaturi negative, este mai puin important umiditatea aerului.

La construcia vaporizatoarelor de acest tip, pentru temperaturi pozitive (peste 2C) seutilizeaz evi cu aripioare. Coeficientul global de transfer termic este influenat de distanadintre aripioare, dimensiunile acestora i numrul de rnduri de evi pe vertical. Valorileuzuale ntlnite n practic sunt de 510 W/(m2K). Datorit valorii reduse a acestuicoeficient, este nevoie s fie alese aripioare cu eficien termic ridicat i se vor realizasuprafee ct mai mari ale vaporizatoarelor, care vor lucra la diferene medii de temperatur,de asemenea ridicate, ntre 815 C. Sub aceste vaporizatoare se vor monta tvi pentrucolectarea i evacuarea umiditii care se depune pe suprafaa de schimb de cldur.

La construcia vaporizatoarelor pentru temperaturi negative, se utilizeaz evi lise(netede), care permit o decongelare (degivrare) uoar. Coeficientul global de transfer termicare uzual valori ntre 1014 W/(m2K), iar diferenele de temperatur se situeaz ntre 510C.

Ambele tipuri de vaporizatoare se pot alimenta cu agent frigorific lichid prin detentdirect sau prin recircularea lichidului. Este important ca lungimile serpentinelor legate nserie s nu fie prea mare, deoarece n acest caz cresc mult pierderile de presiune. Se poaterealiza de asemenea alimentarea acestor aparate cu un agent intermediar de rcire (saramuri,sau diverse soluii de tip antigel).


61

2.3.1.2. Vaporizatoarele cu circulaie forat a aerului

Aceste aparate sunt cele mai rspndite pentru realizarea de puteri frigorifice ndomeniul frigului comercial 1020 kW, sau industrial pn la cteva sute de kW. Exist maimulte tipuri de asemenea vaporizatoare:

- baterii de rcire;- vaporizatoare de plafon;- vaporizatoare de perete;- vaporizatoare montate pe picioare.Schema de curgere a aerului printr-un rcitor de aer cu curgere forat, asigurat de

ventilatoare, este prezentat n figura 2.36.

Fig. 2.36. Schema de curgere printr-un rcitor de aer

Bateriile de rcire sunt montate n interiorul canalelor pen

ccfifv

Documents