INSTALATII FRIGORIFICE CURS 7 Ptr .data 07 aprilie 2020 7. INSTALATII FRIGORIFICE CU ABSORBTIE

7.1 CARACTERIZARE GENERALĂ Generalități

Spre deosebire de instalaţiile cu comprimare mecanică de vapori, comprimare de gaze şi cu ejecţie, instalaţiile cu absorbţie utilizează pentru realizarea procesului de lucru un amestec binar de substanţe (un agent frigorific şi o substanță absorbantă). Caracteristic acestor substanţe este că au temperaturi de fierbere diferite la aceeaşi presiune şi că dizolvarea lor se face nelimitat. Față de instalațiile cu comprimare mecanică, comprimarea în cadrul instalațiilor cu absorbție se realizează cu ajutorul compresorului termochimic care este dat de ansamblul generator-absorbitor. Pentru caracterizarea stării termodinamice a amestecului sunt necesari trei parametrii de stare. Drept parametri de stare s-au ales: presiunea p, temperatura t, şi un parametru cantitativ care indică participaţia masică sau gravimetrică a unuia din componenţi în amestec ξ, denumit concentraţie. Soluţiile binare cele mai folosite în asemenea instalaţii sunt: soluţia hidroamoniacală (apă-amoniac) și soluția de bromură de litiu-apă (BrLi-H2O). În cazul soluției hidroamoniacale concentrația se raportează la agentul frigorific (amoniac) iar în cazul soluției de bromură de litiu-apă, la absorbant (BrLi). Principiul de funcționare al instalațiilor frigorifice cu absorbție se bazează pe fenomenul de absorbție al vaporilor de agent frigorific de către un mediu absorbant aflat în stare lichidă. Diagrame specifice utilizate în calculul instalațiilor frigorifice cu absorbție

Deoarece pentru caracterizarea termodinamică a amestecurilor binare sunt necesari trei parametrii, au fost construite diagrame ternare. Aceste diagrame spațiale sunt reproduse în plan, în axele planului se

regăsesc doi parametrii, cel de-al treilea fiind perpendicular pe plan. În continuare vom analiza diagramele i-ξ-p și p-T-ξ.

• Diagrama i-ξ-p Este diagrama de bază pentru reprezentarea proceselor şi

calculul de proiectare al instalaţiilor frigorifice cu absorbţie. Diagrama i-ξ-p conţine în axa absciselor concentraţia ξ, iar în axa ordonatelor entalpia i şi este construită pe baza determinărilor experimentale pentru fiecare tip de soluţie binară. În continuarese va descrie diagrama i-ξ-p pentru soluţia hidroamoniacală, introdusă de Ponchon (1921) şi independent de el de Merkel în 1928. Diagrama cuprinde domeniile corespunzătoare stărilor de agregare: vapori supraîncăziţi, vapori umezi, lichid şi conţine următoarele familii de curbe (v.fig7.1.1):

- izoterme în domeniul lichidului 1; - izoterme în domeniul vaporilor 2, care sunt niște drepte. Întrucât între vaporii uscaţi de amoniac şi apă nu are loc un proces chimic, încât căldura de amestec este neglijabilă, aceste drepte nu sunt reprezentate în diagramă;

- izobare pentru lichid 3; - izobare pentru vapori 4; - curbe ajutătoare 5, trasate pentru fiecare izobară, ce servesc pentru determinarea stării de vapori în echilibru cu lichidul, respectiv pentru reprezentarea izotermei în domeniul vaporilor umezi.

Fig.7.1.1 Diagrama i-ξ-p pentru soluţia hidroamoniacală

In aceasta diagrama se observa:

- entalpia lichidului pentru o valoarea constantă a temperaturii se modifică foarte puţin în funcţie de presiune, încât rezultă o singură reţea de izoterme, indiferent de valoarea presiunii; - izotermele reprezentate în domeniul lichidului sunt valabile pentru o presiune dată p, numai pe porţiunea de sub izobara respectivă; - în domeniul vaporilor umezi, izotermele sunt linii drepte ce trec prin cele doua stări de lichid şi de vapori în echilibru, nefiind reprezentate în diagramă deoarece apar familii de izoterme pentru fiecare izobară în parte. Aceste izoterme se trasează folosind curbele ajutătoare.

• Diagrama p-T-ξ

Dacă în cazul substanţelor simple, presiunea de fierbere este o

funcţie univocă de temperatură p = p(T), în cazul soluţiilor binare, presiunea de fierbere depinde atât de temperatură, cât şi de concentraţie p=p(T,ξ). La ξ = ct. dependenţa respectivă devine iarăşi univocă p = f(T) ca şi la substanţele simple. S-au stabilit multe asemenea relaţii prin cercetări experimentale, cea mai folosită dintre ele cunoscută sub numele de relatia Clausius-Clapeyron, având forma:

dTdpvvTr )'"( −=

în care: r este căldura latentă de vaporizare; T-temperatura absolută; p-presiunea v", v' - volumul specific al vaporilor saturaţi şi respectiv al lichidului în stare de fierbere la presiune p sau temperatura T. Dacă se neglijează volumul specific al lichidului v' faţă de celal vaporilor uscaţi v" şi se admite pentru aceştia ecuaţia de stare a gazului ideal, se obţine:

dTdp

pRTT

dTdpTvr ⋅== "

sau

2TdT

Rr

pdp

⋅=

în care R este constanta de gaz perfect. Prin integrarea ecuaţiei ,considerând r = ct., se obţine:

Tbap −=ln

în care a şi b = r/R sunt constante specifice substanţei. În cazul unei substanţe simple, relaţia obtinuta reprezentată în coordonate (lnp) şi (1/T) este o dreaptă, iar în cazul soluţiilor binare se obţine un fascicul de drepte pentru diverse concentraţii.

În figura 7.1.2. se prezintă diagrama p-T-ξ pentru soluţia hidroamoniacală. Fasciculul de drepte din diagrama este uşor convergent spre partea superioară, deoarece coeficientul unghiular al dreptelor b=r/R depinde de concentraţie şi anume este cu atât mai mare cu cât concentraţia este mai mică.

Fig 7.1.2. Diagrama p-T-ξ pentru soluţia hidroamoniacală Procese specifice instalațiilor frigorifice cu absorbție

• Vaporizarea și condensarea soluțiilor binare Spre deosebire de substanţele alcătuite dintr-un singur

component, caracterizate prin aceea că vaporizarea şi condensarea izobară este și izotermă, în cazul soluţiilor binare în timpul vaporizării sau condensării izobare temperatura sistemului variază. Modificarea temperaturii se datorează schimbării concentraţiei soluţiei. În amestecul de vapori formaţi concentraţia componentului cu punctul de fierbere mai scăzut este mai mare decât în amestecul lichid.

Vaporizarea şi condensarea soluţiei hidroamoniacale se analizează cu ajutorul diagramei t-ξ-p (temperatură-concentraţie-presiune). În diagrama din figura 7.1.3. sunt reprezentate, în coordonate t-ξ-p, curba de vaporizare (V) şi curba de condensare (C), care se întâlnesc în punctele ξ=0 şi ξ=1. Reprezentarea este făcută pentru o presiune p a amestecului, păstrată constantă.

Se consideră soluţia lichidă de stare 1, determinată de concentraţia ξ1, temperatura t1 şi presiunea p. Se păstrează constantă şi concentraţia ξ1 şi se încălzeşte soluţia. În punctul 2 se produc primii

vapori. Încălzind soluţia în continuare are loc procesul de vaporizare 2-3. În acest timp concentraţia lichidului în amoniac se micşorează întrucât s-a produs o cantitate mai mare de vapori de amoniac decât vapori de apă. Spre exemplu, în punctul A, de temperatură tA, concentraţia lichidului în amoniac este ξA ’ < ξ1.

Fig. 7.1.3. Reprezentarea în diagrama t-ξ-p a vaporizării şi condensării soluţiei binare

În punctul 3 se vaporizează ultima picătură de lichid şi se obţin

vapori de concentraţie ξ1. Dacă se încălzesc în continuare vaporii saturaţi, aceştia se supraîncălzesc şi au starea 4.

Se observă că vaporizarea soluţiei lichide nu a avut loc la temperatură constantă, ci cu variaţia ei în intervalul t2 - t4 şi din acest punct de vedere, soluţia se comportă diferit de componenţii puri. Dacă se repetă experienţa cu alte concentraţii se obţin alte temperaturi la care începe şi la care se termină fierberea. Locul geometric al punctelor de începere a fierberii determină curba de vaporizare, iar locul geometric al punctelor de terminare a fierberii determină curba de condensare. Suprafaţa dintre cele două curbe se numeşte lentilă de vaporizare. Suprafaţa de sub curba de vaporizare se numeşte zona de lichid subrăcit, iar suprafaţa de deasupra curbei de condensare se numeşte zona de vapori supraîncălziţi. În lentila de vaporizare se găsesc vapori umezi. Procesul de condensare are loc în sens invers procesului de vaporizare. Vaporii supraîncălziţi de stare 4 se răcesc la ξ1 = ct. până începe să se producă prima picătura de condens în punctul 3 (v.fig.7.1.3). La început condensul conţine mai mulţi vapori, dar pe măsura scăderii temperaturii cantitatea de condensat creşte, până când se obţine

starea 2 de soluţie saturată, marcând terminarea condensării. Lichidul format, de stare 2, se poate răci în continuare, obţinându-se lichid subrăcit de stare 1. În cazul presiunilor mai mari lentila de vaporizare se micşorează.

• Absorbția

Principiul de funcționare al instalațiilor frigorifice cu absorbție se bazează pe fenomenul de absorbție a vaporilor de agent frigorific de către o substanță absorbantă aflată în stare lichidă.

Analiza se va face pentru soluția hidroamoniacală, în figura 7.1.4 fiind reprezentate izobarele de vaporizare și de condensare în diagrama T-ξ-p.

Fig.7.1.4. Diagrama T-ξ-p pentru soluția amoniac-apă

Dacă se pune în contact lichidul de stare 1, caracterizat de parametrii T1 și ξ1, cu vaporii supraîncălziți de stare 2, caracterizați de parametrii T2 și ξ2 , procesul de absorbție se va desfășura astfel:

Ø vaporii supraîncălziți se răcesc de la temperatura T2 până

la temperatura de saturație TS, corespunzătoare presiunii de vaporizare p0. Căldura extrasă pentru unitatea de masă va fi:

]/[)( 21 kgkJTTcq sp −⋅= Ø vaporii își continuă lichefierea cedând căldura de

vaporizare: ]/[2 kgkJrq =

Ø agentul frigorific lichid având temperatura TS < T1 se va încălzi până la temperatura lichidului, primind căldura:

( ) ]/[13 kgkJTTcq sp −⋅= Ø agentul frigorific lichid este absorbit de agentul absorbant

cedând căldura de reacție: ]/[4 kgkJlq =

Ø efectul termic total al procesului de absobție va fi: ]/[4321 kgkJqqqqq +−+=

Deoarece contribuţia factorilor q1 si q3 în efectul termic total este mult mai mică decât a factorilor q2 si q4, ei pot fi neglijaţi şi în consecinţă căldura de absorbţie va fi:

]/[ kgkJlrq += Această căldură reprezintă şi căldura ce trebuie cedată

amestecului pentru separarea vaporilor în procesul de rectificare.