1

1

C U R S I N T R O D U C T I V

C U P R I N SN o ţ i u n i d e b a z ăS c h e m a d e p r i n c i p i u a u n u i s i s t e m f r i g o r i f i cC l a s i f i c a r e a p r o c e d e e l o r d e r ă c i r eD o m e n i i d e u t i l i z a r e a s i s t e m e l o r f r i g o r i f i c e

N O Ţ I U N I D E B A Z Ă

Frigotehnica (frigotehnia sau tehnica frigului) constituie domeniul tehnicii şi ştiinţei cuprinzând conceperea, proiectarea, realizarea fizică, funcţionarea şi aplicaţiile instalaţiilor frigorifice.

Prin instalaţie frigorifică se înţelege ansamblul elementelor materiale ale unui sistem frigorific.

Sistemul frigorific este acel sistem care permite, prin furnizarea unei energii convenabile, să transfere căldura de la o substanţă (un corp sau un mediu) cu temperatură scăzută către alta cu o temperatură mai înaltă.

Trebuie menţionat de la bun început că înţelegerea proceselor şi fenomenelor fizice din tehnica frigului, necesită, pe lângă altele, bune cunoştinţe de termodinamică. Termodinamica este ştiinţa care tratează relaţiile dintre căldură şi alte forme de energie, căldura fiind forma de energie care este schimbată între un sistem material şi mediul înconjurător sau între două părţi ale aceluiaşi sistem, atunci când între ele există o diferenţă de temperatură.

Frigotehnica constituie un domeniu cu aplicaţii dintre cele mai diverse, de la cercetarea ştiinţifică fundamentală şi tehnica aerospaţială, până la cele mai diferite industrii sau sfere de activitate neindustriale.

Pentru specialiştii care activează în domenii agroalimentare precum şi pentru specialiştii biotehnologi, sunt necesare cunoştinţe serioase de frigotehnică din cel puţin două raţiuni principale:

- parametrul “temperatură” este de o importanţă majoră în tehnologiile de conservare a produselor agroalimentare şi procesele biotehnologice. Nu există practic tehnologie de conservare sau instalaţie de biosinteză care să nu necesite instalaţii de răcire şi de reglare a temperaturilor;

- produsele agroalimentare, materiile prime, microorganismele, mediile de cultură ş.a. sunt conservate cu ajutorul temperaturilor scăzute, deci cu aportul direct al frigotehnicii, şi prin procedee şi tehnologii la baza cărora stă frigotehnica.

Este dificil, dacă nu imposibil, să ne imaginăm astăzi viaţa, fără existenţa mijloacelor de răcire şi congelare, impactul acestora în existenţa noastră fiind mult mai mare decât şi-l imaginează cei mai mulţi dintre noi. Aportul adus de frigotehnică asupra ansamblului ştiinţei şi tehnicii este deosebit de puternic. Dacă luăm în considerare numai domeniile agroalimentare, se poate constata rolul esenţial al temperaturilor scăzute în conservarea şi fabricarea produselor alimentare. Pe bună dreptate se poate afirma că importanţa şi semnificaţia acestui rol, pentru industria agroalimentară, inclusiv pentru biotehnologii, pot fi comparate cu importanţa şi semnificaţia pe care a avut-o şi o are sectorul energiei electrice pentru ramurile industriale ale economiei oricărei ţări.

În funcţie de nivelul temperaturilor scăzute obţinute, sistemele frigorifice pot fi împărţite, în mod convenţional, în următoarele mari domenii:

2

a. domeniul pompelor de căldură – în care căldura este evacuată la temperaturi superioare celei a mediului înconjurător, fiind utilizată în scopuri de încălzire;

b. domeniul climatizării – în care frigul este produs la temperaturi în jur de 0°C şi este utilizat în scopuri tehnologice sau de confort, prin condiţionarea aerului;

c. domeniul frigului moderat, denumit şi domeniul frigului industrial – în care se obţin temperaturi de 0°C…-150oC şi care este cel mai răspândit;

d. domeniul frigului adânc sau al criogeniei – care acoperă zona temperaturilor foarte scăzute, ajungând până aproape de zero absolut (-273,16°C), adică 0[K].

Răcirea este un proces de îndepărtare a căldurii. Efectul extragerii de căldură de la un corp se poate manifesta:

- prin scăderea temperaturii corpului;- fără scăderea temperaturii corpului, dar cu scăderea nivelului energetic al acestuia (de

exemplu la schimbarea stării de agregare a unor substanţe în condiţii izobare).În mod natural, răcirea unui corp se poate realiza până la nivelul temperaturii

mediului său înconjurător. Scăderea temperaturii sub acest nivel poate fi făcută numai pe cale artificială.

Rolul sistemelor frigorifice este de a reduce şi a menţine temperatura unui spaţiu sau corp sub temperatura mediului care le înconjoară.

Conform Principiului al II-lea al termodinamicii, pentru ca un sistem să poată funcţiona, sunt necesare câteva

condiţii: a) existenţa a două surse de căldură cu nivele de temperatură diferite (sursa

caldă şi respectiv sursa rece);b) un consum de energie din exterior pentru transferul de căldură de la nivelul

inferior de temperatură către cel superior;c) existenţa unul corp termodinamic de lucru care îşi schimbă parametrii de

stare prin schimb de căldură şi lucru mecanic cu exteriorul.

S C H E M A D E P R I N C I P I U A U N U I S I S T E M F R I G O R I F I C

Schema de principiu a unui sistem frigorific cuprinde (fig. 1):- două surse de căldură – spaţiul sau corpul răcit, cu temperatura T0, care constituie

sursa rece, şi respectiv mediul ambiant, cu temperatura Tma > T0, care constituie sursa caldă;

- instalaţia frigorifică;- o sursă de energie din exterior.

Q2 [J]

Sursa caldă Tma [K]

Sistem frigorific

E [J]

Sursa rece

Q1 [J]T0 [K]

Fig.1. Schema de principiu a unui sistemfrigorific:

3

Q1 – căldură preluată de la sursa rece; Q2 – căldură cedată sursei calde; E – energie consumată din exterior în sistemul frigorific.

C L A S I F I C A R E A P R O C E D E E L O R D E R Ă C I R E

Există o mare diversitate de instalaţii frigorifice şi procedee de obţinere a frigului. În tabelul 1 sunt prezentate procedeele de obţinere a temperaturilor scăzute, atât cele cu agent frigorific cât şi cele fără agent frigorific.

Tabelul 1. Procedee de obţinere a temperaturilorscăzuteProcedee cu agent

frigorific(pur

termodinamice)

În circuit deschis • Prin utilizarea gheţii deapă (hidrice);• Prin utilizarea gheţii uscate(dioxidde carbon solid);• Prin utilizarea gheţii eutectice;• Prin utilizarea amestecurilor refrigerente;• Prin evaporarea unor lichidela presiune atmosferică (în special apa);• Prin vaporizarea unor lichide la saturaţie la presiunea atmosferică (agenţi criogenici);• Prin destindere turbionară de gaze în tuburi Vortex-Ranque(efect Ranque – Hilsch);• Prin destinderea de gaze întuburi pulsatoare

În circuit închis Cu vapori • Cu comprimare mecanică de vapori;• Cu absorbţie (cu comprimare termochimică);'• Cu ejecţie (cu comprimare termică, în ejectoare);• Cu absorbţie;• Cu resorbţie;• Cu difuzie (cu absorbţie şi Cu gaze • Prin laminare (efect Joulle –Thompson pozitiv);• Prin destindere adiabatică în detentoareProcedee fără agent

frigorificPrin efect termoelectric (efect Peltier);Prin demagnetizare adiabatică a substanţelor paramagnetice; Prin efect Ettinghaus;Prin alte procedeetermomagnetoelectrice.

D O M E N I I D E U T I L I Z A R E A S I S T E M E L O R F R I G O R I F I C E

Tehnica frigului este un domeniu vast care îşi găseşte aplicaţii în diverse ramuri ale activităţii umane.În domeniile agroalimentare, frigul artificial reprezintă un factor de o importanţă

deosebită. Una dintre activităţile majore ale activităţii economice din societatea omenească este cea a producerii elementelor necesare alimentaţiei oamenilor. Produsele agroalimentare au însă o durată limitată de conservare, datorită factorilor care înrăutăţesc calitatea, conducând în final la deprecierea totală a acestora. Factorii modificatori ai calităţii produselor alimentare sunt de natură fizică, chimică, biochimică şi microbiologică (bacterii, mucegaiuri şi ciuperci). Se poate spune că din multe puncte de vedere (sfera de aplicabilitate, consumul de energie, efectele asupra valorii nutritive şi a proprietăţilor organoleptice), aplicarea tehnologiilor frigorifice la conservarea produselor alimentare oferă cele mai bune rezultate în raport cu alte tehnologii de conservare.

Frigul artificial reprezintă un element major în fabricarea şi conservarea produselor agroalimentare:

came şi produse din carne, lapte şi produse lactate, legume şi fructe, băuturi fermentate, peşte, cereale etc.

Lanţul frigorific al produselor refrigerate şi congelate, prin toate verigile sale, de la producere până la consum, joacă un rol esenţial în crearea unor condiţii din ce în ce mai bune vieţii generaţiei actuale şi a celor viitoare.

În biotehnologie, domeniu relativ nou, în plină ascensiune şi intrinsec legat de majoritatea domeniilor agroalimentare, frigotehnica este un element prezent şi indispensabil pe toate verigile – cercetare ştiinţifică, tehnologii propriu-zise şi aplicaţii dintre cele mai diverse.

În industria farmaceutică frigul artificial se utilizează în tehnologiile de fabricare a diferitelor medicamente. Marea majoritate a antibioticelor, de exemplu, sunt conservate prin liofilizare, congelarea necesară în procesul de uscare realizându-se la temperaturi de -50oC...-70°C.

În biologie şi medicină se pot aminti aplicaţii ale temperaturilor scăzute în:- conservarea prin frig a ţesuturilor vii şi a culturilor de microorganisme;- anestezii în operaţii chirurgicale complicate cum ar fi intervenţiile pe cord deschis;- tehnici frigorifice în unele boli ale pielii (crioterapia);- tehnici chirurgicale de vârf (criochirurgia) etc.

Industria chimică reprezintă unul dintre cei mai mari utilizatori ai frigului artificial. Sistemele frigorifice sunt folosite în procese tehnologice ca:

- separarea unor săruri din soluţii lichide;- lichefierea gazelor (aer lichid, N2 lichid, O2 lichid, H2 lichid, He lichid, gaze nobile lichefiate);- cristalizarea unor săruri;- fabricarea cauciucului, a parafinei, a fibrelor sintetice;- rafinarea uleiurilor;- evacuarea căldurii de reacţie şi a căldurii de amestec etc.

Industria petrolului şi a gazelor naturale, tehnica nucleară, domeniul construcţiilor şi cel minier, industria electrotehnică, electronică, metalurgică, constructoare de maşini etc, reprezintă alte domenii de aplicaţii ale tehnicii frigului.

Condiţionarea aerului şi domeniul pompelor de căldură, reprezintă de asemenea, domenii cu diverse aplicaţii ale sistemelor frigorifice.

Şi în alte domenii de activitate, frigul artificial îşi găseşte multiple aplicaţii: conservarea obiectelor de artă, sisteme de răcire pe maşini unelte, testări de autovehicule, motoare electrice şi a altor maşini şi aparate, în cercetări fundamentale privind structura materiei la temperaturi foarte scăzute, apropiate de zero absolut etc.