COMPONENTELE ESENTIALE ALE SISTEMULUI FRIGORIFIC la patinoar

COMPONENTELE ESENTIALE ALE SISTEMULUI FRIGORIFIC

COMPONENTA PISTEI PATINOARULUI

Probabil ca cel mai important element intr-un patinoar il reprezinta stratul de gheata. Structural, pista este alcatuita in felul urmator:

mai multe straturi de pamant/argila amplasate sub pista pentru a asigura drenajul necesar

strat de pietris cu granulatie mare pentru ruperea capilaritatii

strat de egalizare (beton, carton asfaltat, nisip cuartos, folie de plastic etc.)

un strat de izolatie termica pentru evitarea inghetului apei aflate in straturile de sub pista

un strat de alunecare care permite dilatarea si contractarea placii ca efect al variatiilor de temperatura

placa din beton  cu conductele care servesc la realizarea stratului de gheata

suprafata de gheata

Progresul tehnologic a determinat aparitia posibilitatilor de utilizare a noi materiale in cadrul acestei structuri, astfel putandu-se optimiza eficienta energetica si costul de constructie.

Cel mai utilizat material pentru realizarea pistei este betonul. Cu toate acestea suprafata realizata din nisip este mai ieftina si cu o eficienta energetica mai ridicata datorita bunelor caraceristici la transferul de caldura, insa utilizarea nisipului este limitata la arenele folosite numai pentru sporturi pe gheata. Suprafetele asfaltice sunt utilizate numai daca exista necesitati speciale (arena utilizata si pentru tenis). Asfaltul este mai ieftn decat betonul, insa necesarul energetic este mai ridicat.

Conductele (realizate din materiale plastice sau metal) si distanta la care sunt montate stau la baza calculului de optimizare a investitiilor in raport cu eficienta energetica. Conductele sunt montate in placa de beton la o adancime de 20 - 30 mm, iar distanta dintre ele este in general incadrata in intervalul 75 - 125 mm.

In figurile urmatoare sunt prezentate mai multe tipuri de structuri pentru pista de patinoar:

Fig. 1.1. Stuctura pentru patinoare cu durata de functionare de 12 luni cu pista realizata din beton; cu izolatie

Fig. 1. Stuctura pentru patinoare cu durata de functionare sezoniera cu pista realizata din nisip; fara izolatie

Fig. 1.3. Structura pista suspendata pe stalp din beton izolata la partea inferioara; permite amplasarea vestiarelor la subsol

Fig. 1.4. Structura pista suspendata pe stalp din beton izolata la partea superioara; permite amplasarea vestiarelor la subsol

Fig. 1.5. Structura pista suspendata pe stalp din beton putin inalt; conductele de racire sunt ingropate in beton

Fig. 1.6. Structura pista suspendata pe stalp din beton putin inalt; se utilizeaza placi din beton prefabricate

Fig. 1.7. Structura cu sistem de incalzire pe sub pista realizat cu cabluri electrice

TIPURI DE COMPRESOARE UTILIZATE IN INSTALATIILE FRIGORIFICE

In instalatiile frigorifice, comprimarea este procesul de marire a presiunii vaporilor de la nivelul presiunii din vaporizator p_o, pana la nivelul presiunii din condensator p_c. De fapt, vaporizatorul si condensatorul asigura interfata cu mediul racit respectiv mediul ambiant, iar compresorul asigura conditiile de lucru ale condensatorului, aducand agentul frigorific la presiunea necesara realizarii procesului de condensare. Asemanator, dispozitivul de laminare asigura conditiile de lucru ale vaporizatorului, aducand agentul frigorific la presiunea necesara realizarii procesului de vaporizare.

Datorita duratei scurte in care se realizeaza procesul, intr-o prima aproximatie se poate considera ca agentul frigorific nu schimba caldura nici cu partile componente ale compresorului si nici cu mediul ambiant, deci comprimarea este adiabatica. in realitate, aspiratia vaporilor de agent frigorific in cilindrii si prima parte a procesului de comprimare, sunt caracterizate de incalzirea vaporilor, deoarece acestia preiau caldura de la peretii cilindrilor, iar ultima parte a procesului de comprimare, respectiv refularea sunt caracterizate de racirea vaporilor, deoarece acestia cedeaza caldura peretilor cilindrilor. Pe langa aceste interactiuni termice, care reprezinta ireversibilitati externe si in ansamblu contribuie la cresterea globala a entropiei in procesul de comprimare, exista si ireversibilitati interne. Datorita tuturor acestor ireversibilitati, in procesul real de comprimare, entropia creste. Cateva exemple de ireversibilitati interne sunt reprezentate de frecarile dintre starturile de agent frigorific, frecarile dintre straturile de agent si peretii cilindrilor, respectiv frecarile dintre agent si pistoane, turbionari si omogenizari care se produc in timpul comprimarii, etc.In principiu un sistem frigorific transfera caldura dintr-un mediu izolat catre exterior. Pentru a exista transfer de caldura trebuie sa existe o diferenta de temperatura, iar pentru acesta sunt necesare doua etape: joasa presiune (absoarbe caldura) si inalta presiune (disipeaza caldura).

Compresorul pentru agent frigorific este un dispozitiv actionat de un motor (electric, termic, chimic) care preia vaporii refrigerantului evacuati din vapaorizator. Acest dispozitiv micsoreaza volumul vaporilor, astfel crescand presiunea si temperatura. Exista mai multe tipuri de pompare mecanica:

1. Compresoare deschise: in acest caz compresorul este carcasat, iar actionarea se face din exterior. Arborele cotit este pe toata lungimea carterului compresorului. Totodata arborele cotit este actionat prin volant si curea de transmisie sau poate fi actionat din exterior direct de un motor electric. O garnitura de etansare este necesara in cazul in care arborele iese din carcasa.

In figura 1. este prezentata o imagine prin carterul unui compresor deschis cu patru cilindri asezati in V, cu arbore cu excentric (excentric - o sectiune a arborelui cu raza mai mare si care are un alt centru decat arborele). ajutajul pistoanelor este realizat prin segmenti. O tija principala este montata pe fiecare excentric si conectata la un piston intr-o parte a V-ului. In cealalta parte excentricul este conectat la piston printr-un stift. Acest stift este conectat printr-o flansa la tija principala. Aceste tije sunt mai scurte decat cele principale si sunt denumite tije articulate pentru conectare.

Fig 1. sectiune printr-un compresor deschis

2. Compresoare ermetice: motorul in cadrul acestui tip de compresoare este caracasat impreuna cu compresorul. In general rotorul motorului este presat pe arborele compresorului. Motorul de actionare poate sta deasupra sau sub compresor.

Evacuarea si aspiratia din interiorul caracasei sunt facute din materiale flexibile. Conexiunile electrice ale motorului trec prin carcasa fiind asigurate impotriva infiltratiilor.

In figura sunt prezentate doua tipuri de compresoare ermetice: in figura A. apare un compresor ermetic conventional cu doua pistoane. In figura B. este reprezentat un compresor ermetic conventional cu doua pistoane prevazut cu o valva proiectata pentru a conduce vaporii de agent frigorific printr-un dispozitiv de evacuare cu rolul de a creste eficienta si pentru a tolera lichidul aparut.

In anumite cazuri motoarele de actionare pot avea doua viteze. Acestea sunt foarte utilizate in sisteme de mari dimensiuni si in sisteme de climatizare unde sarcina termica este variabila.

In figura 3. este reprezentat tot un compresor ermetic. Racordul de aspiratie trece prin zona motorului astfel realizandu-se racirea acestuia. Acest compresor dispune de un dispozitiv intern de acumulare a lichidului, prevenind astfel intoarcerea lichidului in zona cilindrului. Racordul de evacuare este compus dintr-o serpentina amplasata in interiorul carcasei. Aceasta pastreaza lubrifiantul la o temperatura optima asfel incat agentul frigorific sa se evapore. Capul pistonului are talerul supapei circular. Astfel se realizeaza un debit optim intre aspiratia si evacuarea vaporilor.

Moduri de comprimare:

a.      Compresor cu piston si cilindru

In general acest tip foloseste ca sursa de energie moatoare electrice. Energia de miscare este transmisa prin intermediul unui arbore (miscare rotativa). Pentru ca acest tip de miscare sa se transforme in miscare rectilinie se utilizeaza un mecanism denumit biela - manivela. Modalitatea de transmisie a miscarii se realizeaz ca la automobile.

b.      Compresor rotativ

Rotorul are prevazute canale radiale in care paletele pot sa culiseze liber sub efectul fortei centrifugale, pe care o imprima rotorul. Realizarea paletelor din materiale compozite (polimeri aromatici si fibra de sticla), usoare si rezistente permite atingerea de turatii ridicate (viteza periferica de cca. 25 m/s).

Mod de functionare: vaporii umplu spatiul din spatele lamelelor, invartindu-le. Pe masura ce continua miscarea de rotatie a lamelelor, vaporii din fata acestora sunt comprimati pana cand sunt impinsi prin racordul de evacuare catre condensator.

c.       Compresor cu surub

Aceste compresoare utilizeaza rotoare speciale in forma de spirala (pot fi mono surub sau dublu surub). In momentul miscarii de revolutie efectuate de rotoare, vaporii prinsi intre rotoare sunt comprimati si evacuati prin racordul de evacuare. Acest tip de compresoare asigura o comprimare continua, spre deosebire de cele cu piston si cilindru care asigura o comprimare pulsativa.

Fig Sectiune printr-un compresor ermetic

Fig 3. Sectiune printr-un compresor ermetic

CONDENSATOARE FRIGORIFICE

Condensarea este procesul termodinamic prin care agentul frigorific isi schimba starea de agregare din vapori in lichid, cedand caldura sursei calde, reprezentata de aerul sau apa de racire a condensatorului. Condensarea realizeaza efectul util in pompele de caldura. Uneori racirea condensatorului este realizata mixt, de aer si apa impreuna.

De regula, in cazul racirii cu aer, condensarea se realizeaza in interiorul tevilor, in aparate construite din serpentine, iar in cazul racirii cu apa, condensarea se realizeaza in spatiul dintre un fascicul de tevi si manta, in aparate de constructie multitubulara, cel mai adesea orizontale.

O alta diferenta, intre cele doua tipuri de procese de condensare, este reprezentata de regimul termic al agentilor de lucru (agentul frigorific si agentul de racire.

Condensatoarele sunt schimbatoare de caldura prin intermediul carora agentul frigorific cedeaza mediului ambiant caldura preluata de la consumatorul de frig si ce primita prin procesul de comprimare.in condensator se poate realiza nu numai racirea vaporilor pana la starea de saturatie, ci si subracirea lichidului. Condensatoarele pot fi clasificate in functie de tipul agentului de racire:

condensatoare racite cu apa

condensatoare racite  cu aer

condensatoare mixte racite cu apa si aer

Condensatoare racite cu apa: acestea sunt utilizate in instalatii cu o putere frigorifica mai mare de 3 kW. Si acestea se impart in mai multe categorii:

Condensatoare cu serpentina inecata: sunt cele mai vechi tipuri de condensatoare. Alcatuirea acestora consta intr-o serpentina spirala din otel montata intr-o manta cilindrica care are si rolul rezervorului de lichid. Apa circula prin serpentina, iar agentul frigorific condenseaza pe fata exterioara a serpentinei.

Condensatoare cu conducte concentrice si circulatia fuidelor in contracurent: in conducta interioara circula apa de racire iar in spatiul dintre tevi condenseaza agentul frigorific. Acest sistem permite intensificarea transferului de caldura intre cele doua medii datorita cresterii vitezei de circulati a apei.

Condensatoare multitubulare. Sunt alcatuite dintr-un fascicol de conducte amplasat intr-o manta cilindrica, prin interiorul conductelor circuland apa de racire, iar la exterior condensand agentul frigorific.

Condensatoare racite cu aer: sunt utilizate in prezent pentru o gama larga de puteri frigorifice. Aparitia lor a fost cauzata datorita necesitatii economisirii apei.

Condensatorul este realizat din conducte din cupru sau otel fara sudura cu diametrul de 10..25 mm, aceste conducte fiind prevazute cu lamele din cupru, aluminiu sau otel montate la 3..5 mm.

Pentru instalatii cu puteri termice foarte mici (cazul frigiderelor) circulatia aerului pentru aceste instalatii este realizata natural.

Condensatoare racite mixt: acestea sunt utilizate cu scopul reducerii cantitatii de apa utilizate pentru racire. Acestea se instaleaza in exterior, in locuri deschise, deseori fiind montate pe acoperisuri. Este necesar sa fie ferite de radiatia solara.

VAPORIZATOARE PENTRU RACIREA UNUI LICHID

Vaporizarea este procesul termodinamic prin care agentul frigorific isi schimba starea de agregare din lichid in vapori, absorbind caldura de la sursa rece, reprezentata de mediul racit (aerul sau un agent termic lichid). In vaporizator, este realizat efectul util al instalatiilor frigorifice. Procesul de vaporizare va fi analizat in continuare, separat pentru cazul realizarii acesteia in interiorul tevilor si separat pentru cazul realizarii acesteia in spatiul dintre tevi si manta.

De regula, vaporizarea este realizata in interiorul tevilor, in aparate construite din serpentine, destinate racirii aerului sau racirii lichidelor, respectiv in spatiul dintre un fascicul de tevi si manta, in aparate de constructie multitubulara, cel mai adesea orizontale, destinate racirii lichidelor.

Se observa ca racirea aerului, sau eventual altor gaze, poate fi realizata numai prin vaporizarea agentului frigorific in interiorul tevilor, iar racirea lichidelor poate fi realizata atat prin vaporizarea agentului frigorific in interiorul tevilor, cat si prin vaporizarea acestuia intre tevi si manta.

Daca in timpul vaporizarii agentului frigorific in spatiul dintre tevi si manta, prin interiorul tevilor circula apa, aceasta poate fi racita cel mult pana in apropierea temperaturii de 0°C pentru evitarea inghetarii la interiorul tevilor. Formarea ghetii in procesele de racire a apei, este permisa numai la exteriorul tevilor, in bazine prevazute cu serpentine in care vaporizeaza agentul frigorific.

Daca se doreste racirea lichidelor la temperaturi negative, vor trebui utilizate alte substante in locul apei. De obicei se utilizeaza solutii apoase de tip antigel, sau saramuri, toate avand temperaturi de solidificare negative.

Acest tip de vaporizatoare poate realiza racirea lichidului fie prin imersia suprafetei de schimb de caldura in lichid, fie prin circulatia lichidului racit dintr-o parte in alta a vaporizatorului. Tipuri de vaporizatoare pentru racirea lichidului:

Vaporizatoare imersate: sunt cele mai vechi tipuri; sunt realizate suf forma de serpentine sau sub forma de gratar.

a.)    cele cu sepentina sunt utilizate pentru puteri frigorifice reduse (sub 20kW)

b.)    panourile verticale sunt utilizate in cazul puterilor frigorifice medii, la amoniac si R2

In acesta situatie suprafata de transfer termic este alcatuita dint tevi verticale din otel, sudate pe un distribuitor de lichid si un colector de vapori, astfel rezultand gratarele. Aceste gratare pot fi intre 1 si 4 montate pe distributorul si colectorul principal, rezultand baterii de vaporizatoare cu suprafata necesara.

Vaporii formati sunt evacuati prin colector, iar uleiul decantat datorita nemiscibilitatii cu agentul frigorific se elimina printr-un racord plasat pe distribuitor, sub efectul presiunii de vaporizare.

Amplasarea acestor vaporizatoare se face in bazine de racire corespunzatoare. Este necesara asigurarea unei viteze impuse a lichidului racit printre tevile vaporizatorului; se varealiza cu ajutorul unor agitatoare.

Vaporizatoare multitubulare: constructia acestora este realizata in functie de agentul frigorific utilizat (materialul si executia tevilor). Montajul acestor vaporizatoare poate fi vertical sau orizontal.

Constructia si functionarea vaporizatorului multitubular orizontal: pentru R717 este realizat un fascicol din tevi de otel sudate si mandrinate in placile tubulare si plasat intr-o manta cilindrica orizontala. Pentru freoni se folosesc tevi din cupru netede sau nervurate la exterior pentru intensificarea transferului termic pe partea agentului frigorific.

Vaporizarea agentului frigorific are loc pe suprafata exterioara a tevilor, primind caldura cedata de agentul intermediar care circula prin interiorul tevilor. Lichidul racit parcurge vaporizatoul de mai multe ori, fiind dirijat de sicanele prevazute pe capace. Viteza optima de circulatie este de 0,8..2 m/s. Deoarece vaporizatorul functioneaza inecat, se impune separarea eventualelor picaturi de agent frigorific lichid antrenate, inainte de aspiratia compesorului. In cazul freonilor protectia compresoarelor se realizeaza printr-un supraincalzitor de vapori. Decantorul pentru ulei este montat la partea inferioara a vaporizatorului.

In figurile urmatoare sunt prezentate cateva exemple de schimbatoare de caldura multitubulare si componente ale acestora:

Fig. 4.4. Cateva exemple de schimbatoare de caldura multitubulare