inst. frigorifice cu vapori.pdf

Instalaii frigorifice cu vapori Consideraii privind instalaiile frigorifice cu vapori Instalaiile frigorifice de tipul celor analizate n capitolele anterioare sunt denumite instalaii frigorifice cu vapori, pentru c ciclul de funcionare al acestora se realizeaz n domeniul de vapori umezi i n apropierea acestuia, respectiv n domeniul vaporilor uor supranclzii sau al lichidului uor subrcit. Aceste instalaii, mai sunt numite i instalaii cu comprimare mecanic de vapori, deoarece procesul de comprimare a vaporilor este realizat n compresoare mecanice. Exist i alte tipuri de instalaii frigorifice, dar acelea vor fi studiate ulterior. n continuare se vor analiza mai multe tipuri de instalaii frigorifice care au funcionarea bazat pe comprimarea mecanic a vaporilor unui agent frigorific i pot realiza temperaturi sczute pn la valori de aproximativ 90C. Odat cu reducerea temperaturilor care trebuie realizate de instalaie, crete raportul de comprimare la care trebuie s funcioneze compresorul sau compresoarele. Instalaiile ntr-o singur treapt de comprimare, realizeaz creterea presiunii direct de la valoarea presiunii de vaporizare p0 la valoarea presiunii de condensare pk. n aceste condiii de funcionare, este posibil realizarea temperaturilor sczute avnd valori de pn la -20-30C. La ora actual, se manifest o tendin de a realiza ntr-o singur treapt de comprimare i temperaturi mai sczute. Instalaiile n dou trepte de comprimare, pot realiza n condiii de economicitate mai ridicate, temperaturi scazute, de pn la -25-60C. Aceste instalaii sunt caracterizate prin realizarea unei comprimri de la valoarea presiunii de vaporizare p0, pn la un nivel intermediar de presiune, urmat de o nou comprimare, de la acest nivel de presiune pn la valoarea presiunii de condensare pk. Evident, ntre cele dou procese de comprimare, trebuie s existe i o rcire intermediar a vaporilor refulai din prima treapt de comprimare. Instalaiile n trei trepte de comprimare, pot realiza temperaturi sczute, de pn la cca. 90C, caracterizate prin existena a dou nivele intermediare de presiune ntre presiunea de vaporizare p0 i cea de condensare pk. Instalaiile n cascad, sunt o categorie aparte de instalaii frigorifice cu comprimare mecanic de vapori, caracterizate prin prezena unui numr de cel puin dou circuite frigorifice distincte, n care evolueaz cte un alt agent frigorific. Aceste instalaii pot s asigure realizarea unor temperaturi sczute de pn la cca. 90C, ca i instalaiile n trei trepte de comprimare. Cuplarea circuitelor frigorifice distincte ale acestor instalaii, denumite i cascade, se realizeaz prin intermediul unor schimbtoare de cldur particulare, denumite condensatoare-vaporizatoare, n care agentul frigorific al cascadei inferioare (care realizeaz un nivel mai scut de temperatur) condenseaz, iar agentul frigorific al cascadei superioare (care realizeaz un nivel mai ridicat de temperatur) vaporizeaz, prelund cldura furnizat de agentul frigorific al cascadei inferioare, prin desupranclzire i condensare. Cteva din motivele pentru care instalaiile frigorifice funcionnd prin comprimare mecanic de vapori sunt extrem de rspndite la ora actual, pot fi considerate urmtoarele:

- Permit preluarea cldurii de la sursa rece i cedarea cldurii ctre sursa cald, prin schimbarea strii de agregare, ceea ce are ca efect reducerea substanial a debitelor masice i a cantitii de agent frigorific din instalaie;

- Procesele de transfer termic realizate prin schimbarea strii de agregare, sunt caracterizate de coeficieni de transfer termic ridicai, ceea ce permite utilizarea n

aceste instalaii a unor schimbtoare de cldur caracterizate prin suprafee de transfer termic reduse;

- Permit preluarea cldurii de la sursa rece i cedarea cldurii ctre sursa cald, prin procese izoterme, ceea ce are ca efect posibilitatea reducerii ireversibilitilor datorate transferului de cldur la diferene finite de temperatur.

Capitolul referitor la ciclurile frigorifice, a permis analizarea instalaiilor frigorifice cu vapori, funcionnd dup ciclul Carnot inversat, dup ciclul teoretic i dup ciclul real, caz pentru care au fost prezentate cteva ireversibiliti care se manifest n instalaiile de acest tip. n continuare vor fi descrise alte cteva tipuri de instalaii frigorifice funcionnd cu vapori ntr-o singur treapt de comprimare. Instalaiile n dou sau mai multe trepte de comprimare, vor fi analizare ulterior. Influena subrcirii condensului asupra ciclului frigorific Pentru reducerea pierderilor datorate ireversibilitii din procesul de laminare adiabatic, se poate realiza subrcirea agentului de lucru naintea ventilului de laminare. Acest proces poate fi realizat practic, prin introducerea n schema instalaiei a unui subrcitor, utiliznd apa ca agent de rcire. n figura 1 este prezentat o asemenea instalaie frigorific, avnd vaporizator i condensator multitubulare, iar n figura 2 este prezentat schema funcional, pe care subrcitorul a fost notat cu SR. Se consider c n condensatorul instalaiei K, se realizeaz doar condensarea propriu-zis a agentului frigorific, nu i subrcirea acestuia. De multe ori, aa cum s-a artat n capitolul referitor la condensare, subrcirea agentului frigorific este realizat chiar n condensator.

Fig. 1. Instalaie frigorific ameliorat prin subrcire cu ap

Fig. 2. Schema instalaiei frigorifice ameliorate prin subrcire cu ap

Schema instalaiei cu subrcire, prezentat n acest paragraf, este specific instalaiilor frigorifice de puteri mari i foarte mari, n care agentul frigorific este amoniacul. De regul n aceste instalaii, agentul de rcire al condensatorului este apa, iar aceasta poate fi utilizat i pentru rcirea subrcitorului. Ciclul de lucru din aceast instalaie, a fost reprezentat n cele dou diagrame termodinamice T-s i lgp-h, din figurile 3 i 4. Se observ c n diagrama T-s, procesul de subrcire 3-3', se reprezint practic pe curba de lichid saturat, deoarece izobara corespunztoare acestui proces, se apropie foarte mult de curba lichidului saturat, suprapunndu-se practic peste aceasta.

Fig. 3. Cicul teoretic ameliorat prin

subrcire cu ap - Diagrama T-s

Fig. 4. Cicul teoretic ameliorat prin subrcire cu ap - Diagrama lgp-h

Principalul efect al subrcirii 3-3' este reprezentat de mrirea puterii frigorifice specifice,

cu q0 = qsr = h4 h4', fa de ciclul teoretic din care lipsete aceast ameliorare. Efectul cretereii putereii frigorifice specifice const deci n mrirea eficienei frigorifice. Temperatura pn la care poate fi subrcit agentul frigorific, n subrcitorul SR, denumit temperatur de subrcire tsr, depinde de temperatura twi a apei de rcire disponibile: tsr = twi + 2...3C (1)

Pentru evidenierea avantajelor acestui tip de instalaie, se efectueaz un calcul comparativ al ciclurilor cu i fr subrcire cu ap, iar rezultatele sunt prezentate n tabelul 1. Toate mrimile corespunztoare ciclului cu subrcire sunt notate cu indicele ' (prim). Se consider c ambele instalaii au aceeai putere frigorific . 0Q&

Tabelul 1. Analiza comparativ a ciclurilor cu i fr subrcire cu ap

Fr subrcire Cu subrcire Obs. - puterea frigorific specific

410 hhq = - puterea frigorific specific

0'410 qhh'q >= avantaj

- debitul masic al instalaiei

00 qQm && = - debitul masic al instalaiei

m'qQ'm 00 &&&

Influena supranclzirii vaporilor asupra ciclului frigorific S-a artat deja c n vaporizatoarele rcitoare de aer, este obligatorie realizarea unei uoare supranclziri a vaporilor nainte ca acetia s prseasc vaporizatorul, pentru a fi aspirai de compresor. Aceast supranclzire este obligatorie pentru a se elimina pericolul aspiraiei lichidului n compresor i supranclzirea va fi prezent n aceste situaii indiferent de efectul acesteia asupra performanelor cilului frigorific. Au fost de asemenea analizate n detaliu modul de realizare a supranclzirii i influena acesteia asupra regimului termic al vaporizatorului. n continuare se va analiza influena supranclzirii vaporilor asupra parametrilor ciclului frigorific, iar n figura 5 este prezentat ciclul frigorific cu supranclzirea vaporilor n vaporizator.

Fig. 5. Ciclul frigorific cu supranclzire n vaporizator

n tabelul 2 este prezentat o analiz comparativ ntre ciclurile cu i fr supranclzire n vaporizator.

Tabelul 2. Analiza comparativ a ciclurilor cu i fr supranclzire n vaporizator

Fr supranclzire Cu supranclzire Obs. - puterea frigorific specific





m'qQ'm 00 &&& =

dezavantaj

- sarcina termic a K PQqmQ 0kk +== &&&

- sarcina termic a K i SR mpreun P'Qq''mQ' 0kk +== &&

compararea necesit calcul

- eficiena frigorific PQ 0&=

- eficiena frigorific 'PQ' 0 >= &


- randamentul exergetic

= 1

TT

r

aex

- randamentul exergetic

exr

aex 1T

T'' >

=


n urma efecturii calculelor se va observa c modul de variaie a parametrilor de performant ai ciclului frigorific depinde de natura agentului frigorific. De fapt exist dou influene contrare care acioneaz una n sensul mbuntirii performanelor (creterea puterii frigorifice specifice q0) i una n sensul nrutirii performanelor (creterea lucrului mecanic specific l). n funcie de natura agentului frigorific, cele dou tendine se manifest n mod diferit, aa cum se observ n figurile 68, care evideniaz scderea eficienei frigorifice cu creterea gradului de supranclzire, pentru amoniac i R22, respectiv creterea eficienei frigorifice cu creterea gradului de supranclzire, pentru R134a.

Fig. 6. Influena gradului de supranclzire asupra eficienei frigorifice, pentru amoniac

Fig. 7. Influena gradului de supranclzire asupra eficienei frigorifice, pentru R22

Fig. 8. Influena gradului de supranclzire asupra eficienei frigorifice, pentru R134a

Influena subrcirii regenerative asupra ciclului frigorific Pentru freoni, se utilizeaz o alt metod de ameliorare a ciclului frigorific, dect subrcirea cu ap prezentat pentru cazul amoniacului. Aceast metod este denumit subrcire intern, sau regenerare. O instalaie cu o asemenea soluie pentru subrcire este prezentat n figura 9, schema instalaiei este redat n figura 10, iar procesele de lucru care alctuiesc ciclul cu regenerare sunt redate n figurile 11 i 12.

Fig. 9. Instalaia frigorific funcionnd cu subrcire intern (regenerare)

Fig. 10. Schema instalaiei frigorifice funcionnd cu subrcire intern (regenerare)

Fig. 11. Ciclul cu subrcire intern

Diagrama T-s

Fig. 12. Ciclul cu subrcire intern

Diagrama lgp-h

Specific procedeului de subrcire a condensului, n regeneratorul Rg, pe seama supranclzirii vaporilor reci, furnizai de vaporizator, este faptul c pe lng creterea puterii frigorifice, crete i lucrul mecanic necesar a fi consumat pentru comprimarea vaporilor. n ansamblu eficiena frigorific se mrete prin utilizarea subrcirii regenerative. Un mare avantaj al acestei ameliorri, l reprezint faptul c asigur funcionarea n regim "uscat" a compresorului, adic n domeniul vaporilor supranclzii, fr prezena lichidului n cilindri. Pentru nelegerea avantajelor acestui tip de instalaie, se efectueaz un calcul comparativ al ciclurilor cu i fr regenerator n tabelul 3. Toate mrimile corespunztoare ciclului cu subrcire intern sunt notate n tabel cu indicele ' (prim). Se consider c ambele instalaii au aceeai putere frigorific . 0Q& Se observ c o simpl analiz din punct de vedere calitativ a calculelor termice pentru cele dou cicluri, nu permite obinerea unor concluzii relevante privind eficiena regenerrii. n consecin este necesar efectuarea calculelor numerice i compararea valorilor pentru fiecare mrime analizat n parte. Calculul termic al ciclului cu regenerare prezint o particularitate specific tuturor instalaiilor termice cu schimbtoare interne de cldur. Schimbtorul intern de cldur, denumit n acest caz regenerator, permite scrierea unei singure ecuaii de bilan termic (sau bilan energetic), sub forma: ( ) ( )1'1'33Rg hhmhhmQ == &&& (2) n aceast ecuaie apar dou mrimi necunoscute, h1' i h3'. Pentru a se putea efectua calculul termic al ciclului este necesar ca una din cele dou entalpii s fie impus. Aceast impunere se poate realiza de exemplu prin valoarea temperaturii strii respective. Cealalt entalpie va rezulta din ecuaia de bilan termic (2).

Tabelul 3. Analiza comparativ a ciclurilor cu i fr subrcire regenerativ

Fr subrcire intern Cu subrcire intern Obs. - puterea frigorific specific





m'qQ'm 00 &&&

n aceast diagram se observ c temperatura de ieire a lichidului din Rg (t3') i temperatura de ieire a vaporilor din Rg (t1'), se gsesc ntre temperatura lichidului la intrarea n Rg (t3=tk) i temperatura vaporilor reci la intrarea n Rg (t1=t0). n consecin, dintre t1' i t3', se va impune acea temperatur care va asigura un transfer termic normal ntre lichid i vapori. Practic, impunerea temperaturii se va realiza astfel nct s existe certitudinea c n urma rezolvrii ecuaiei de bilan energetic, cealalt temperatur va rezulta n acelai interval t0...tk. Pentru obinerea unei asemenea certitudini, trebuie analizate variaiile entalpiei specifice a lichidului, respectiv vaporilor, n schimbtorul de cldur regenerativ. Pentru calculul variaiei entalpiei specifice a lichidului se poate scrie: ( ) lpl'33pl'33 tcttchh == , (3) unde cpl este cldura specific a lichidului, iar tl este variaia temperaturii lichidului n Rg. Pentru calculul variaiei entalpiei specifice a vaporilor se poate scrie: ( ) vpv1'1pv1'1 tcttchh == , (4) unde cpv este cldura specific a vaporilor, iar tv este variaia temperaturii vaporilor n Rg. ntre cldurile specifice ale lichidului i vaporilor agenilor frigorifici, exist relaia aproximativ cpl2cpv. n consecin variaiile de temperatur ale lichidului i vaporilor sunt n relaia tltv/2. Prin urmare, deoarece variaia de temperatur a vaporilor n Rg, este aproximativ dubl fa de variaia de temperatur a lichidului, n acelai aparat, este mai sigur s se impun temperatura vaporilor la ieirea din Rg adic t1', n intervalul t0tk i atunci este sigur c n urma rezolvrii ecuaiei de bilan energetic pe Rg, temperatura lichidului la ieirea din Rg adic t3', se va gsi n acelai interval de temperaturi, deci va fi asigurat un transfer termic normal n schimbtorul intern de cldur. Dup impunerea temperaturii t1', se pot determina parametrilor termodinamici ai strii 1', ntre care i entalpia h1'. Din ecuaia (2), se calculeaz valoarea entalpiei h3' a lichidului la ieirea din Rg, care dup ce este determinat, permite aflarea celorlali parametrii termodinamici ai strii 3', ntre care i temperatura t3'. O alt particularitate pe care o presupune calculul termic al acestor tipuri de instalaii este aceea c t1' poate s ia teoretic o infinitate de valori n intervalul de temperatur t0tk. Se pune deci problema dac nu cumva exist un optim pentru t1'.

Rspunsul la aceast ntrebare se poate obine numai prin efectuarea repetat a calculului termic al ciclului, pentru mai multe valori ale temperaturii t1' n intervalul t0...tk. Numrul foarte mare de calcule care trebuie efectuate (teoretic infinit), impune utilizarea calculatoarelor n acest tip de analize comparative. n acest scop este obligatoriu s fie cunoscute relaii de calcul a parametrilor termodinamici ai agentului de lucru, ceea ce va elimina necesitatea utilizrii diagramelor termodinamice, care devin ineficiente atunci cnd se dorete efectuarea unui numr mare de calcule termice ale unui ciclu frigorific. Dac se efectueaz calculul termic al ciclului cu regenerare, pentru diferite valori t1', se constat c parametrii de performant ai ciclului i ex, au valori cu att mai ridicate cu ct t1' este mai apropiat de tk. Literatura de specialitate recomand t1'=t0tk-(10...20)C. De regul ns, o cretere att de pronunat a temperaturii vaporilor, respectiv o subrcire att de avansat a condensului, necesit suprafee mari de schimb de cldur ale Rg, deci o investiie iniial mare, la realizarea instalaiei. n consecin, din considerente care in seama n primul rnd de raiuni tehnico-economice, de cele mai multe ori, n practic, subrcirea maxim a lichidului este de numai (510)C, iar supranclzirea corespunztoare a vaporilor este de numai cca. (1020)C. n figurile 1416 sunt prezentate curbe de variaie a eficienei frigorifice n funcie de valoarea gradului de subrcire regenerativ, pentru amoniac, R22 i R134a. Se observ c n toate cazurile, creterea gradului de subrcire duce la creterea eficienei frigorifice.

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

Fig. 14. Influenta gradului de subrcire asupra eficienei frigorifice pentru amoniac

Fig. 15. Influenta gradului de subrcire asupra eficienei frigorifice pentru R22

Fig. 16. Influenta gradului de subrcire asupra eficienei frigorifice pentru R134a

Subrcirea regenerativ este utilizat practic n toate instalaiile frigorifice cu freoni, de putere frigorific medie i mare. Pentru instalaiile mici, introducerea schimbtorului de cldur regenerativ n schema instalaiei, mrete prea mult costul investiiei.

Influena separatorului de lichid asupra ciclului frigorific n instalaiile frigorifice destinate rcirii lichidelor, pentru a limita riscul ptrunderii de agent frigorific lichid n compresor, se utilizeaz de regul un separator de lichid, ca n instalaia din figura 17, avnd schema funcional reprezentat n figura 18. Separatorul de lichid are att rolul de a separa eventualele urme de lichid care pot exista n vaporii de agent frigorific la ieirea din vaporizator, ct i rolul de alimenta vaporizatoarele cu lichid saturat, la presiunea de vaporizare. n urma laminrii condensului se obin vapori umezi, deci n vederea alimentrii vaporizatorului cu lichid saturat, este necesar separarea lichidului de vaporii care se produc n urma laminrii. Separatorul de lichid este obligatoriu n instalaiile cu vaporizatoare imersate n bazine pentru rcirea lichidelor, unde vaporizarea este incomplet, dar se utilizeaz adesea i n instalaii cu vaporizatoare multitubulare orizontale, n care teoretic, se produc vapori saturai.

Fig. 17. Instalaie cu separator de lichid

Fig. 18. Schema unei instalaii cu separator de lichid

n figura 19 sunt reprezentate procesele de lucru din instalaia frigorific avnd n componen separator de lichid.

Fig. 19. Procesele de lucru dintr-o instalaie cu separator de lichid i vaporizare incomplet

Considernd c vaporizarea este incomplet, titlul vaporilor la ieirea din vaporizator este x6

Pentru determinarea debitului masic din circuitul frigorific principal al instalaiei, se scrie ecuaia de bilan termic pe separatorul de lichid:

41

0

41

565164 hh

Qhhhh'mmh'mhmh'mhm =

=+=+ &&&&&&& (8) Analiznd relaia (8), se observ c valoarea debitului masic din circuitul care include compresorul (C), condensatorul multitubular orizontal (CMO) i ventilul de laminare (VL), pe de-o parte se calculeaz la fel ca n cazul instalaiei fr separator de lichid i pe de alt parte este o mrime constant, care nu depinde de valoarea titlului vaporilor la ieirea din vaporizator. n aceste condiii se poate spune c rolul separatorului de lichid este doar de a asigura funcionarea uscat n condiii de siguran a compresorului, fr a mbuntii ns i performanele ciclului frigorific.

inst. frigorifice cu vapori.pdf

Documents