9. INSTALAŢII FRIGORIFICE

9.1 Generalităţi

Instalaţiile frigorifice sunt instalaţii termice care au rolul de a coborî temperatura unor spaţii (incinte) sub temperatura mediului ambiant, şi a căror funcţionare necesită un consum de energie (mecanică, termică, electrică).

În principiu, funcţionarea acestor instalaţii se bazează pe utilizarea unei substanţe denumită agent frigorific, care evoluează în interiorul acestora după un ciclu generator (invers decât cel motor), absorbind căldură de la incinta rece pe care o cedează mediului ambiant. Fac excepţie de la acest principiu instalaţiile cu răcire termoelectrică (efectul Peltier = efectul invers efectului Seebek de la termocuple, de la lucrarea de laborator nr. 2).

Clasificarea instalaţiilor frigorifice cu agent frigorific:

a) Instalaţii frigorifice cu schimbarea stării de agregare a agentului frigorific (cu vapori)a1) Instalaţii frigorifice cu vapori, cu comprimare mecanică (cu compresor)a2) Instalaţii frigorifice cu vapori, cu comprimare termochimică (prin absorbţie)a3) Instalaţii frigorifice cu vapori, cu comprimare termică (cu ejector)

b) Instalaţii frigorifice fără schimbarea stării de agregare (cu gaze)b1) Instalaţii frigorifice cu gaze cu destindere adiabaticăb2) Instalaţii frigorifice cu gaze cu laminareCele mai utilizate sunt instalaţiile frigorifice cu vapori cu comprimare mecanică (a1)

Agenţi frigorificiÎn funcţie de temperatura de răcire, de mărimea fluxului de căldură extras, de domeniul de

utilizare al frigului produs, se folosesc mai mulţi agenţi frigorifici (peste 30).Dintre agenţii frigorifici, cei mai utilizaţi sunt amoniacul şi freonii.

Amoniacul (NH3) - se utilizează în instalaţiile frigorifice industriale mijlocii şi mari, pentru temperaturi până la -70C.

Avantaje: - cost redus- presiuni relativ mici de lucru- coeficient de transmitere a căldurii ridicat- uşurinţă de detecţie a scăpărilor (cu acid clorhidric fumans la locul

scăpărilor se formează clorură de amoniu sub forma unui fum alb)Dezavantaje: - inflamabil în amestec cu aerul, toxic, puţin solubil în ulei, corodează cuprul

şi aliajele sale

Freonii - sunt derivaţi halogenaţi ai hidrocarburilor saturate (metan. etan) în care unii atomi de hidrogen sunt înlocuiţi prin atomi de Clor sau Fluor.

Exemple:freon 12 formula chimică CF2Cl2 (simbol tehnic R12)freon 11 formula chimică CFCl3 (simbol tehnic R11)

Avantaje:- exponenţi adiabatici mici ceea ce duce la creşteri mici de temperatură la comprimare- dizolvă uleiul de ungere (deci asigură şi ungerea pieselor în mişcare)- toxicitate redusă

80

- inflamabilitate redusă

Dezavantaje:- cost ridicat- coeficienţi mici de transmitere a căldurii- distruge stratul de ozon din atmosferă ( 1 moleculă de freon distruge 1000 molecule de

ozon).

9.2 Instalaţii frigorifice cu vapori

9.2.1 Ciclul ideal al instalaţiilor frigorifice cu vapori. Ciclul Carnot inversat

Cu ajutorul ciclului Carnot inversat se poate explica în mod simplu posibilitatea transmiterii căldurii de la un corp rece la unul mai cald cu consum de lucru mecanic. De asemenea, ciclul Carnot inversat (adică parcurs în sens invers celui motor) constituie criteriul pentru compararea gradului de perfecţiune termodinamică a instalaţiilor frigorifice.

Ciclul Carnot inversat se realizează în domeniul vaporilor umezi (zona bifazică), fiind format din 2 izoterme şi 2 adiabate. Este parcurs în sens trigonometric, fiind un ciclu termodinamic consumator de lucru mecanic.

În diagrama T - s, ciclul Carnot inversat se reprezintă astfel:

Figura 9.1

Evoluţiile care compun ciclul:

1 - 2 = comprimare adiabată (izentropică)

2 - 3 = condensare izobar - izotermă (la Ta = cst., pa = cst.)

3 - 4 = destindere adiabată (prin destindere temperatura scade de la Ta la Tr)

4 - 1 = vaporizare izobar-izotermă (Tr = cst., pr = = cst.)

Mărimi caracteristice ale ciclului:- căldura preluată de la sursa rece (la Tr = cst., pr = cst.)

q0 = i1 - i4 = Tr ( s1 - s4) [J / kg]- căldura cedată mediului ambiant (la Ta = cst., pa = cst.)

q = i3 - i2 = Ta (s3 - s2) 0 [J / kg]- lucrul mecanic consumat în acest ciclu

l = q + q0 = (i3 - i2) + (i1 - i4) = Ta (s4 - s1) + Tr (s1 - s4) = (Tr - Ta) (s1 - s4) 0l = (Ta - Tr) (s1 - s4)

Aprecierea ciclurilor frigorifice se poate face cu ajutorul raportului dintre căldura primită de agent de la sursa rece (efectul util) şi lucrul mecanic consumat, raport numit eficienţă frigorifică (notată f)

81

Figura 9.2

f poate fi mai mare, egal, sau mai mic decât 1.

9.2.2 Instalaţii frigorifice cu vapori, cu comprimare mecanică (cu compresor). Schema de principiu şi ciclul teoretic

În tehnică, ciclul Carnot inversat este greu de realizat practic. În instalaţiile frigorifice reale, faţă de ciclul Carnot inversat, se introduc 2 modificări:

- comprimarea 1 - 2 este deplasată din domeniul vaporilor umezi în domeniul vaporilor supraîncălziţi (pentru a evita formarea de picături de lichid în cilindrul compresorului ceea ce ar duce la apariţia şocului hidraulic).

- procesul de destindere adiabatică 3 - 4 se înlocuieşte cu un proces de laminare într-un ventil de laminare (VL) care este mult mai simplu constructiv.Observaţie: Laminarea are loc la entalpie constantă. Prin laminare presiunea scade, iar temperatura scade dacă efectul Joule - Thomson este pozitiv).

Figura 9.3

Cp = compresorCd = condensatorVL = ventil laminareVp = vaporizator

La frigiderele casnice condensatorul este placa neagră cu ţevi din spatele frigiderului, vaporizatorul este situat în interior (congelatorul), iar ventilul de laminare este ţeava subţire care uneşte condensatorul cu vaporizatorul, având secţiunea mult mai mică decât secţiunile conductelor din condensator şi vaporizator. Evacuarea căldurii Q se face în mediul ambiant, în spatele frigiderului.

82

Figura 9.4

Evoluţiile sunt:

1 - 2 = comprimarea izentropică (adiabată) în compresorul Cp

2 - 2 - 3 = răcirea vaporilor (2 - 2) şi condensarea izobar - izotermă (2 - 3) în condensatorul Cd

subacţiunea apei de răcire sau a aerului atmosferic

3 - 4 = laminare izentalpică (entalpie constantă) în ventilul de laminare VL

Obs.: datorită ireversibilităţii procesului de laminare, entropia creşte cu slaminare = s4 - s3

4 - 1 = vaporizarea izobar - izotermă în vaporizatorul Vp

Mărimile caracteristice ale ciclului:

- căldura preluată de la sursa rece qo = i1 - i4

- căldura cedată mediului ambiant q= i2 - i3

- lucrul mecanic consumat pentru comprimare l= i2 - i1

- eficienţa frigorifică a ciclului

Vaporizatorul este montat în incinta care trebuie răcită. Pentru extragerea fluxului de căldură

[W] la vaporizator, numit şi putere de răcire, debitul masic de agent frigorific prin instalaţie

rezultă din relaţia:

[kg / sec]

Puterea teoretică a compresorului este:

rezultă [W]

83