INSTALATII FRIGORIFICE CU COMPRIMARE MECANICA DE VAPORI INTR-O SINGURA TREAPTA

INSTALATII FRIGORIFICE CU COMPRIMARE MECANICA DE VAPORI INTR-O SINGURA TREAPTA

1. Ciclul ideal de functionare al unei instalatii cu comprimare mecanica de vapori s1, 2, 27, 28t

Ciclul ideal de functionare al unei instalatii frigorifice cu comprimare mecanica de vapori este ciclul Carnot inversat, desfasurat in domeniul vaporilor saturati umezi.

Schema de principiu a instalatiei frigorifice este prezentata in fig. 3.5, iar diagramele ciclului de functionare sunt prezentate in fig. 3.6.

Compresorul (C) realizeaza comprimarea adiabatica (1-2) a agentului frigorific, absorbind lucrul mecanic specific (l_c). Urmeaza apoi transformarea de faza (2-3), cand in condensator are loc condensarea agentului; transformarea de faza are loc la presiune si temperatura constanta, iar mediului i se cedeaza cantitatea de caldura (q). La iesirea din condensator, agentul frigorific este in stare lichida, punctul (3) situandu-se pe curba de vaporizare.

In detentorul (D) are loc procesul adiabat (3-4), in timpul caruia presiunea agentului frigorific scade, fenomen insotit de producerea lucrului mecanic spcific (l_d).

In vaporizatorul (V) agentul frigorific sufera o noua transformare de faza, vaporizandu-se (procesul 4-1). Vaporizarea are loc la presiune si temperatura constanta, iar pe parcursul acestui proces de la sursa rece se preia cantitatea de caldura (q₀).

Cantitatea de caldura preluata de la sursa rece va fi:

iar cantitatea de caldura cedata mediului (sursei calde) este:

Lucrul mecanic utilizat pentru functionarea instalatiei este dat de relatia:

Eficienta frigorica a instalatiei este:

Detentorul produce lucru mecanic prin destinderea adiabata a fluidului de lucru; el poate fi realizat sub forma unei masini termice cu piston sau a unei turbine cu rotor paletat.

2. Ciclul teoretic de functionare al instalatiilor frigorifice reale s1, 2, 12, 27, 28t

Instalatiile frigorifice reale prezinta o serie de deosebiri fata de cele ideale:

• conform diagramelor din fig. 3.6, destinderea adiabatica are loc intr-un detentor; cum acesta ar fi alimentat cu vapori avand titlul redus (sau chiar cu lichid), lucrul mecanic obtinut ar fi mic (lichidul este incompresibil si furnizeaza o cantitate mica de lucru mecanic prin destindere). Ca urmare se prefera inlocuirea detentorului cu un dispozitiv mai simplu din punct de vedere constructiv, denumit ventil de laminare, care prezinta o sectiune de trecere ingustata; unele instalatii frigorifice utilizeaza chiar un tub capilar prin intermediul caruia se realizeaza scaderea presiunii agentului de lucru. Se considera ca procesul de destindere in ventilul de laminare are loc la entalpie constanta, deoarece nu se produce lucru mecanic prin destindere.
• tot din fig. 3.6. se observa ca procesul de comprimare are loc in domeniul vaporilor saturati umezi; in realitate, patrunderea agentului frigorific sub forma de lichid in compresor ar conduce la deteriorarea acestuia; din acest motiv, in instalatiile frigorifice reale procesul de comprimare este deplasat in zona vaporilor saturati uscati, evitandu-se astfel patrunderea lichidului in compresor.
• pentru studiul ciclului teoretic al instalatiilor frigorifice reale se considera ca in compresor are loc o comprimare adiabata.

Avand in vedere cele de mai sus, schema instalatiei frigorifice reale devine cea din fig. 3.7, diagramele ciclului teoretic de functionare fiind cele din fig. 3.8.

Procesul (1-2) reprezinta comprimarea adiabatica a vaporilor supraincalziti in compresor; ca urmare, presiunea acestora creste de la p₀ la p_k, iar temperatura de la t₀ la t_ref. Procesul (2-3) are loc in vaporizator; in prima faza are loc racirea vaporilor supraincalziti de la temperatura de iesire din compresor t_ref pana la temperatura de saturatie t_k (procesul 2-2'); aceasta racire are loc la presiunea constanta p_k existenta in condensator. Urmeaza apoi schimbarea starii de agregare a vaporilor saturati (procesul 2'-3), care are loc la presiune si temperatura constanta. In punctul (3) titlul vaporilor este x = 0, deci la iesirea din condensator agentul frigorific este in stare lichida.

Destinderea in ventilul de laminare are loc la entalpie constanta (procesul 3-4), iar presiunea agentului scade de la p_k la p₀; urmeaza apoi vaporizarea in vaporizator (procesul 4-1), care are loc la presiunea constanta p₀ si temperatura constanta T₀.

Din fig. 3.9 se observa ca destinderea agentului in ventilul de laminare (procesul 3-4) conduce la o reducere a cantitatii de caldura extrase de la sursa rece, fata de cazul destinderii adiabatice (3-4'):

Eficienta frigorifica a ciclului teoretic al instalatiei frigorifice reale se determina cu relatia:

3. Subracirea in instalatiile frigorifice

Cresterea cantitatii de caldura extrase de la sursa rece se poate obtine prin subracirea (scaderea temperaturii) lichidului saturat iesit din condensator. Subracirea se poate realiza:

• cu apa;
• cu agent frigorific.

3.1. Subracirea cu apa

Schema de principiu a instalatiei frigorifice ce utilizeaza subracirea cu apa este prezentata in fig. 3.10. Se observa ca, dupa condensatorul (K) s-a adaugat un schnimbator de caldura suplimentar, numit subracitor (SR), racit cu apa.

Agentul frigorific in stare de lichid saturat care iese din condensator este racit la presiune constanta (procesul 3-3', fig. 3.11), in subracitor preluandu-se de la agentul frigorific cantitatea de caldura q_SR; urmeaza apoi destinderea izentalpica din ventilul de laminare (procesul 3'- 4').

Din fig. 3.11 se observa ca, fata de ciclul fara subracire (1-2-3-4), ciclul cu subracire (1-2-3'-4') conduce la cresterea cantitatii de caldura preluate de la sursa rece cu Dq₀; rezulta deci ca utilizarea subracirii cu apa conduce la cresterea eficientei frigorifice a ciclului, care se determina in acest caz cu relatia:

Mai trebuie remarcat faptul ca diagrama reala de ciclului cu subracire este de fapt cea din fig. 3.12, pe care se evidentiaza procesul de subracire (3-3'), ce are loc la presiunea constanta din condensator p_k; cum in domeniul lichid izobarele sunt foarte apropiate de curba de vaporizare, in practica se admite ca, in diagrama entropica T - s, reprezentarea ciclului cu subracire cu apa sa fie cea din fig. 3.11a si nu cea din fig. 3.12.

3.2. Subracirea cu agent frigorific (subracirea interna)

Schema de principiu a unei astfel de instalatii frigorifice este prezentata in fig. 3.13; in acest caz subracitorul (Sr) este un schimbator de caldura prin care circula, pe un circuit, agent frigorific sub forma de lichid, iesit din condensator, iar pe cel de al doilea circuit circula vapori reci, proveniti din vaporizator. Vaporii racesc agentul in stare lichida si se incalzesc preluand caldura de la lichidul iesit din condensator. In diagramele T-s si lg p - i (fig. 3.14), procesul (3-3') reprezinta racirea lichidului saturat, iar procesul (1-1') reprezinta supraincalzirea vaporilor iesiti din vaporizator. Ambele procese au loc la presiune constanta: incalzirea vaporilor se realizeaza la presiunea p₀ din vaporizator, iar racirea lichidului la presiunea p_k din condensator.

Pentru analiza comparativa a ciclului fara subracire (1-2-3-4) si a celui cu subracire interna (1'-2'-3'4') este necesara determinarea parametrilor caracteristici fiecarui punct de pe ciclu; fata de cazul anterior (subracire cu apa). ciclul cu subracire interna nu asigura in mod automat cresterea eficientei frigorifice.

In principiu, tinand cont de caldurile specifice diferite ale lichidului si vaporilor , se poate aprecia ca scaderea de temperatura a lichidului este aproximativ jumatate din cresterea de temperatura a vaporilor de agent. Literatura de specialitate recomanda ca valoarea temperaturii t₁' sa fie cuprinsa intre t₀ si t_k-(10÷20)°C. O crestere atat de importanta a temperaturii vaporilor si respectiv o subracire atat de avansata a lichidului saturat impun suprafete mari de schimb de caldura ale subracitorului. In consecinta, din considerente tehnico-economice, de cele mai multe ori, in practica, subracirea maxima a lichidului este de numai 5.10°C, iar supraincalzirea vaporilor este corespunzator de 10.20°C.

Eficienta frigorifica a ciclului cu subracire interna se determina cu relatia:

Cantitatea de caldura transferata de la lichidul saturat la vapori este:

Trebuie mentionat faptul ca, la unele instalatii frigorifice, in zona terminala a condensatorului se realizeaza o subracire a lichidului saturat.

4. Ciclul real de functionare al instalatiilor frigorifice s2, 3, 6, 12, 21, 26, 27, 28t

Functionarea in conditii reale a instalatiei frigorifice prezinta unele diferente fata cazul teoretic avut in vedere pana aici:

transferul termic in condensator si vaporizator are loc la diferente finite de temperatura; diferentele de temperatura sunt cuprinse intre 5 si 8⁰C pentru lichide si intre 10 si 20⁰C pentru aer.

curgerea fluidului este insotita, pe tot traseul (inclusiv in condensator si vaporizator), de pierderi de presiune;

procesul din compresor este o comprimare politropica, al carui indice, diferit de exponentul adiabatic, se modifica pe parcursul procesului.

Avand in vedere cele mentionate, ciclul real al unei instalatii frigorifice este prezentat in fig, 3.15; procesele care au loc sunt urmatoarele:

• 2 - comprimarea politropica a vaporilor in compresorul instalatiei;
• 3 - curgerea vaporilor supraincalziti prin supapa de refulare a compresorului si conducta de legatura cu condensatorul. Curgerea este insotita de o cadere de presiune, dar si de racirea vaporilor, conducta de legatura nefiind de obicei izolata termic.
• 4 - racirea vaporilor supraincalziti in condensator, insotita de o usoara scadere a presiunii datorata rezistentei opuse la curgerea fluidului;
• 5 - transformarea de faza (condesarea), insotita de o scadere a presiunii, care apare din cauza lungimii apreciabile a traseului fluidului; in plus, datorita diferentei de temperatura existenta intre condensator si mediul inconjurator, trecerea agentului frigorific prin condensator este insotita si de o scadere a temperaturii sale.
• 6 - subracirea, in partea finala a condensatorului sau in subracitor, curgerea lichidului fiind insotita de o usoara cadere de presiune.

• 7 - trecerea lichidului saturat prin conducta de legatura dintre condensator si ventilul de laminare; in cele mai multe instalatii frigorifice lungimea acestei conducte este semnificativa, ceea ce se reflecta in valoarea relativ mare a caderii de presiune.

• 8 - destindere izentalpica a agentului in ventilul de laminare;
• 9 - vaporizarea agentului frigorific in vaporizator, proces insotit de o cadere de presiune datorata rezistentei opuse de conducte, precum si de o modificare a temperaturii, ce apare din cauza diferentei dintre temperatura vaporizatorului si cea existenta in spatiul racit;
• 10 - la majoritatea instalatiilor frigorifice, la iesirea din vaporizator a vaporilor, acestia sunt usor supraincalziti;
• 11 - curgerea vaporilor prin conducta dintre vaporizator si compresor; de obicei aceasta conducta este izolata termic, astfel incat se manifesta doar o usoara scadere a presiunii agentului;
• 1 - supraincalzirea vaporilor aspirati in compresor de catre motorul electric de actionare (la compresoarele ermetice si semiermetice), insotita de scaderea presiunii la trecerea prin supapa de aspiratie.

Pentru un calcul simplificat al instalatiei frigorifice se poate presupune ca ciclul de functionare se desfasoara conform schemei din fig. 3.16, in care se neglijeaza pierderile de presiune si se tine cont doar de procesul de comprimare politropica a agentului in compresor. Pe diagrama, procesul real de comprimare (politropic) este reprezentat de curba 1 2, in timp ce procesul 1 2' reprezinta comprimarea adiabatica, utilizata la trasarea ciclului teoretic. Se observa ca procesul real de comprimare conduce la cresterea lucrului mecanic necesar comprimarii:

Se defineste randamentul izentropic al compresorului ca fiind:

Randamentul izentropic al compresorului are valori cuprinse intre 0,6 si 0,8; cunoscand valoarea randamentului izentropic se poate determina entalpia la sfarsitul comprimarii:

Pentru a se evita patrunderea de agent frigorific in stare lichida in compresor, la unele instalatii frigorifice (in special atunci cand vaporizatorul este imersat in lichidul ce trebuie racit) se prevede introducerea unui separator de lichid, confrm schemei din fig. 3.17.

Lichidul saturat iesit din ventilul de laminare ajunge in separatorul de lichid (SL); aici lichidul se separa catre partea inferioara, trecand apoi in vaporizator, in timp ce eventualii vapori formati sunt colectati la partea superioara a separatorului. Vaporii iesiti din vaporizator ajung din nou in separator; lichidul antrenat de catre vapori se va separa la partea inferioara, in timp ce vaporii se ridica la partea superioara a separatorului, fiind aspirati in compresorul (C).

5. Elemente de calcul termic al ciclului frigorific fara subracire s2,6,7,17t

Din datele de proiectare ale spatiului ce trebuie racit sunt cunoscuti urmatorii parametri:

• temperatura din interiorul incintei (in functie de destinatia acesteia);
• temperatura mediului exterior (in functie de zona geografica in care se gaseste spatiul ce trebuie racit);
• puterea frigorifica Q₀ sWt, din calculele referitoare la necesarul de frig.

Temperaturile T₀ si T_k (fig. 3.18) ale vaporizatorului si respectiv condensatorului se determina conform indicatiilor din literatura de specialitate, in functie de tipul schimbatoarelor de caldura.

In functie de agentul frigorific utilizat se determina presiunea de vaporizare p₀ si presiunea de condensare p_k; daca raportul de crestere a presiunii p_k/p₀ depaseste valoarea 8, se impune utilizarea unei instalatii frigorifice cu comprimare in trepte.

Cunoscand randamentul izentropic al compresorului (de obicei acesta este indicat de catre fabricant) se traseaza ciclul de functionare al instalatiei si se determina parametrii caracteristici ai punctelor ciclului. Se poate determina astfel puterea frigorifica specifica q₀ sJ/kgt, cu ajutorul careia determinam debitul masic de agent frigorific:

Din tabelele parametrilor de saturatie ai agentului frigorific respectiv se determina volumul specific v sm³/kgt la presiunea p₀; debitul volumic de agent frigorific aspirat de catre compresor va fi:

Din cataloagele producatorilor de compresoare se poate alege acum compresorul care va asigura nivelul de presiuni necesar si debitul volumic impus, utilizand si diagramele de variatie ale debitului in functie de gradul de crestere a presiunii.

Daca se cunosc numarul de cilindri ai compresorului i, diametrul unui cilindru D smt, cursa pistonului S smt si turatia arborelui de antrenare n srot/mint, debitul volumic de gaz aspirat de catre compresor se determina cu relatia:

in care m_r este coeficientul de umplere (vezi 2.2.3).

Puterea absorbita de catre compresor va fi:

Eficienta frigorifica (coeficientul de performanta, COP) rezulta din relatia: