Instalatii frigorifice cu vapori

Instalatii frigorifice cu vapori

Consideratii privind instalatiile frigorifice cu vapori

Instalatiile frigorifice de tipul celor analizate in capitolele anterioare sunt denumite instalatii frigorifice cu vapori, pentru ca ciclul de functionare al acestora se realizeaza in domeniul de vapori umezi si in apropierea acestuia, respectiv in domeniul vaporilor usor supraincalziti sau al lichidului usor subracit. Aceste instalatii, mai sunt numite si instalatii cu comprimare mecanica de vapori, deoarece procesul de comprimare a vaporilor este realizat in compresoare mecanice. Exista si alte tipuri de instalatii frigorifice, dar acelea vor fi studiate ulterior.

In continuare se vor analiza mai multe tipuri de instalatii frigorifice care au functionarea bazata pe comprimarea mecanica a vaporilor unui agent frigorific si pot realiza temperaturi scazute, pana la valori de aproximativ -90°C. Odata cu reducerea temperaturilor care trebuie realizate de instalatie, creste raportul de comprimare, la care trebuie sa functioneze compresorul sau compresoarele.

Instalatiile intr-o singura treapta de comprimare, realizeaza cresterea presiunii direct de la valoarea presiunii de vaporizare p0 la valoarea presiunii de condensare p_k . In aceste conditii de functionare, este posibila realizarea temperaturilor scazute avand valori de pana la -20.-30°C. La ora actuala, se manifesta o tendinta de a realiza intr-o singura treapta de comprimare si temperaturi mai scazute.

Instalatiile in doua trepte de comprimare, pot realiza in conditii de economicitate mai ridicata, temperaturi scazute, de pana la -25.-60°C. Aceste instalatii sunt caracterizate prin realizarea unei comprimari de la valoarea presiunii de vaporizare p0, pana la un nivel intermediar de presiune, urmata de o noua comprimare, de la acest nivel de presiune pana la valoarea presiunii de condensare p_k . Evident, intre cele doua procese de comprimare, trebuie sa existe si o racire intermediara a vaporilor refulati din prima treapta de comprimare.

Instalatiile in trei trepte de comprimare, pot realiza temperaturi scazute, de pana la cca. -90°C, caracterizate prin existenta a doua nivele intermediare de presiune intre presiunea de vaporizare p₀ si cea de condensare p_k.

Instalatiile in cascada, sunt o categorie aparte de instalatii frigorifice cu comprimare mecanica de vapori, caracterizate prin prezenta unui numar de cel putin doua circuite frigorifice distincte, in care evolueaza cate un alt agent frigorific. Aceste instalatii pot sa asigure realizarea unor temperaturi scazute, de pana la cca. -90°C, ca si instalatiile in trei trepte de comprimare. Cuplarea circuitelor frigorifice distincte ale acestor instalatii, denumite si cascade, se realizeaza prin intermediul unor schimbatoare de caldura particulare, denumite condensatoare-vaporizatoare, in care agentul frigorific al cascadei inferioare (care realizeaza un nivel mai scazut de temperatura) condenseaza, iar agentul frigorific al cascadei superioare (care realizeaza un nivel mai ridicat de temperatura) vaporizeaza, preluand caldura furnizata de agentul frigorific al cascadei inferioare, prin desupraincalzire si condensare.

Cateva din motivele pentru care instalatiile frigorifice functionand prin comprimare mecanica de vapori sunt extrem de raspandite la ora actuala, pot fi considerate urmatoarele:

- Permit preluarea caldurii de la sursa rece si cedarea caldurii catre sursa calda, prin schimbarea starii de agregare, ceea ce are ca efect reducerea substantiala a debitelor masice si a cantitatii de agent frigorific din instalatie;

- Procesele de transfer termic realizate prin schimbarea starii de agregare, sunt caracterizate de coeficienti de transfer termic ridicati, ceea ce permite utilizarea, in transfer termic reduse;

- Permit preluarea caldurii de la sursa rece si cedarea caldurii catre sursa calda, prin procese izoterme, ceea ce are ca efect posibilitatea reducerii ireversibilitatilor datorate transferului de caldura la diferente finite de temperatura.

Capitolul referitor la ciclurile frigorifice, a permis analizarea instalatiilor frigorifice cu vapori, functionand dupa ciclul Carnot inversat, dupa ciclul teoretic si dupa ciclul real, caz pentru care au fost prezentate cateva ireversibilitati care se manifesta in instalatiile de acest tip. In continuare vor fi descrise alte cateva tipuri de instalatii frigorifice functionand cu vapori intr-o singura treapta de comprimare. Instalatiile in doua sau mai multe trepte de comprimare, vor fi analizare ulterior.

Influenta subracirii condensului asupra ciclului frigorific

Pentru reducerea pierderilor datorate ireversibilitatii din procesul de laminare adiabatica, se poate realiza subracirea agentului de lucru inaintea ventilului de laminare. Acest proces poate fi realizat practic, prin introducerea in schema instalatiei a unui subracitor, utilizand apa ca agent de racire. In figura 82 este prezentata o asemenea instalatie frigorifica, avand vaporizator si condensator multitubulare, iar in figura 83 este prezentata schema functionala, pe care subracitorul a fost notat cu SR. Se considera ca in condensatorul instalatiei K, se realizeaza doar condensarea propriu-zisa a agentului frigorific, nu si subracirea acestuia. De multe ori, asa cum s-a aratat in capitolul referitor la condensare, subracirea agentului frigorific este realizata chiar in condensator. Schema instalatiei cu subracire, prezentata in acest paragraf, este specifica instalatiilor frigorifice de puteri mari si foarte mari, in care agentul frigorific este amoniacul. De regula in aceste instalatii, agentul de racire al condensatorului este apa, iar aceasta poate fi utilizata si pentru racirea subracitorului.

Ciclul de lucru din aceasta instalatie, a fost reprezentat in cele doua diagrame termodinamice T-s si lgp-h, din figurile 84 si 85. Se observa ca in diagrama T-s, procesul de subracire 3-3', se reprezinta practic pe curba de lichid saturat, deoarece izobara corespunzatoare acestui proces, se apropie foarte mult de curba lichidului saturat, suprapunandu-se practic peste aceasta.

Principalul efect al subracirii 3-3' este reprezentat de marirea puterii frigorifice specifice, cu Δq₀ = q_sr = h₄ - h_4', fata de ciclul teoretic, din care lipseste aceasta ameliorare. Efectul cresterii puterii frigorifice specifice consta deci in marirea eficientei frigorifice.

Temperatura pana la care poate fi subracit agentul frigorific, in subracitorul SR, denumita temperatura de subracire t_sr , depinde de temperatura t_wi a apei de racire disponibile:

t_sr = t_wi + 23°C                                 (98)

Pentru evidentierea avantajelor acestui tip de instalatie, se efectueaza un calcul comparativ al ciclurilor cu si fara subracire cu apa, iar rezultatele sunt prezentate in tabelul 10. Toate marimile corespunzatoare ciclului cu subracire, sunt notate cu indicele ' (prim). Se considera ca ambele instalatii au aceeasi putere frigorifica .

Tabelul 10 Analiza comparativa a ciclurilor cu si fara subracire cu apa

Din analiza comparativa a calculului termic prezentat pentru cele doua cicluri, se observa ca in instalatiile frigorifice, intotdeauna este avantajos sa se realizeze subracirea. Subracirea cu apa este specifica utilizarii amoniacului ca agent frigorific si se intalneste practic in toate instalatiile frigorifice functionand cu amoniac.

Influenta supraincalzirii vaporilor asupra ciclului frigorific

S-a aratat deja ca in vaporizatoarele racitoare de aer, este obligatorie realizarea unei usoare supraincalziri a vaporilor inainte ca acestia sa paraseasca vaporizatorul, pentru a fi aspirati de compresor. Aceasta supraincalzire este obligatorie pentru a se elimina pericolul aspiratiei lichidului in compresor, iar supraincalzirea va fi prezenta in aceste situatii, indiferent de efectul acesteia asupra performantelor cilului frigorific. Au fost de asemenea analizate in detaliu modul de realizare a supraincalzirii si influenta acesteia asupra regimului termic al vaporizatorului.

In continuare se va analiza influenta supraincalzirii vaporilor asupra parametrilor ciclului frigorific, iar in figura 86 este prezentat ciclul frigorific cu supraincalzirea vaporilor in vaporizator.

In tabelul 11. este prezentata o analiza comparativa intre ciclurile cu si fara supraincalzire in vaporizator.

Tabelul 11. Analiza comparativa a ciclurilor cu si fara supraincalzire in vaporizator

In urma efectuarii calculelor, se va observa ca modul de variatie a parametrilor de performanta ai ciclului frigorific depinde de natura agentului frigorific. De fapt exista doua influente contrare care actioneaza una in sensul imbunatatirii performantelor (cresterea puterii frigorifice specifice q₀) si una in sensul inrautatirii performantelor (cresterea lucrului mecanic specific l). In functie de natura agentului frigorific, cele doua tendinte se manifesta in mod diferit.

Influenta subracirii regenerative asupra ciclului frigorific

Pentru freoni, se utilizeaza o alta metoda de ameliorare a ciclului frigorific, decat subracirea cu apa prezentata pentru cazul amoniacului. Aceasta metoda este denumita subracire interna, sau regenerare. O instalatie cu o asemenea solutie pentru subracire este prezentata in figura 87, schema instalatiei este redata in figura 88, iar procesele de lucru care alcatuiesc ciclul cu regenerare, sunt redate in figurile 89 si 90.

Specific procedeului de subracire a condensului, in regeneratorul Rg, pe seama supraincalzirii vaporilor reci, furnizati de vaporizator, este faptul ca pe langa cresterea puterii frigorifice, creste si lucrul mecanic necesar a fi consumat pentru comprimarea vaporilor. In ansamblu eficienta frigorifica se mareste prin utilizarea subracirii regenerative. Un mare avantaj al acestei ameliorari, il reprezinta faptul ca asigura functionarea in regim 'uscat' a compresorului, adica in domeniul vaporilor supraincalziti, fara prezenta lichidului in cilindri.

Pentru intelegerea avantajelor acestui tip de instalatie, se efectueaza un calcul comparativ al ciclurilor cu si fara regenerator in tabelul 12. Toate marimile corespunzatoare ciclului cu subracire interna, sunt notate in tabel cu indicele ' (prim). Se considera ca ambele instalatii au aceeasi putere frigorifica .

Se observa ca o simpla analiza din punct de vedere calitativ a calculelor termice pentru cele doua cicluri, nu permite obtinerea unor concluzii relevante privind eficienta regenerarii. In consecinta este necesara efectuarea calculelor numerice si compararea valorilor pentru fiecare marime analizata in parte.

Calculul termic al ciclului cu regenerare prezinta o particularitate specifica tuturor instalatiilor termice cu schimbatoare interne de caldura. Schimbatorul intern de caldura, denumit in acest caz regenerator, permite scrierea unei singure ecuatii de bilant termic (sau bilant energetic), sub forma:

(99)

In aceasta ecuatie apar doua marimi necunoscute, h1' si h3'. Pentru a se putea efectua calculul termic al ciclului, este necesar ca una din cele doua entalpii sa fie impusa. Aceasta impunere se poate realiza de exemplu prin valoarea temperaturii starii respective. Cealalta entalpie va rezulta din ecuatia de bilant termic 99.

Tabelul 12. Analiza comparativa a ciclurilor cu si fara subracire regenerativa

Criteriul pentru impunerea uneia din cele doua stari, este ca alegerea sa garanteze efectuarea unui schimb corect de caldura in regenerator. Regimul termic din Rg poate sa fie prezentat intr-o diagrama t - S, adica o diagrama temperatura - suprafata de schimb de caldura, ca in figura 91.

In aceasta diagrama, se observa ca temperatura de iesire a lichidului din Rg (t_3') si temperatura de iesire a vaporilor din Rg (t_1'), se gasesc intre temperatura lichidului la intrarea in Rg (t₃=t_k) si temperatura vaporilor reci la intrarea in Rg (t₁=t₀). In consecinta, dintre t_1' si t_3', se va impune acea temperatura care va asigura un transfer termic normal intre lichid si vapori.

Practic, impunerea temperaturii, se va realiza astfel incat sa existe certitudinea ca in urma rezolvarii ecuatiei de bilant energetic, cealalta temperatura va rezulta in acelasi interval t₀t_k.

Pentru obtinerea unei asemenea certitudini, trebuie analizate variatiile entalpiei specifice a lichidului, respectiv vaporilor, in schimbatorul de caldura regenerativ.

Pentru calculul variatiei entalpiei specifice a lichidului, se poate scrie:

    (100)

unde cpl este caldura specifica a lichidului, iar Δt_l este variatia temperaturii lichidului in Rg. Pentru calculul variatiei entalpiei specifice a vaporilor se poate scrie:

    (101)

unde c_pv este caldura specifica a vaporilor, iar Δt_v este variatia temperaturii vaporilor in Rg.

Intre caldurile specifice ale lichidului si vaporilor agentilor frigorifici, exista relatia aproximativa c_pl≈2·c_pv. In consecinta variatiile de temperatura ale lichidului si vaporilor sunt in relatia Δ_tl≈Δt_v/2. Prin urmare, deoarece variatia de temperatura a vaporilor in Rg, este aproximativ dubla fata de variatia de temperatura a lichidului, in acelasi aparat, este mai sigur sa se impuna temperatura vaporilor la iesirea din Rg adica t_1', in intervalul t₀.t_k si atunci este sigur ca in urma rezolvarii ecuatiei de bilant energetic pe Rg, temperatura lichidului la iesirea din Rg adica t_3', se va gasi in acelasi interval de temperaturi, deci va fi asigurat un transfer termic normal, in schimbatorul intern de caldura.

Dupa impunerea temperaturii t_1', se pot determina parametrilor termodinamici ai starii 1', intre care si entalpia h_1'. Din ecuatia 99 se calculeaza valoarea entalpiei h_3' a lichidului la iesirea din Rg, care dupa ce este determinata, permite aflarea celorlalti parametrii termodinamici ai starii 3', intre care si temperatura t_3'.

O alta particularitate pe care o presupune calculul termic al acestor tipuri de instalatii, este aceea ca t_1' poate sa ia teoretic o infinitate de valori, in intervalul de temperatura t₀.t_k. Se pune deci problema daca nu cumva exista un optim pentru t_1'.

Raspunsul la aceasta intrebare se poate obtine numai prin efectuarea repetata a calculului termic al ciclului, pentru mai multe valori ale temperaturii t_1' in intervalul t₀t_k.

Numarul foarte mare de calcule care trebuie efectuate (teoretic infinit), impune utilizarea calculatoarelor in acest tip de analize comparative. In acest scop, este obligatoriu sa fie cunoscute relatii de calcul a parametrilor termodinamici ai agentului de lucru, ceea ce va elimina necesitatea utilizarii diagramelor termodinamice, care devin ineficiente atunci cand se doreste efectuarea unui numar mare de calcule termice ale unui ciclu frigorific.

Daca se efectueaza calculul termic al ciclului cu regenerare, pentru diferite valori t_1', se constata ca parametrii de performanta ai ciclului ε si η_ex, au valori cu atat mai ridicate cu cat t_1' este mai apropiata de t_k. Literatura de specialitate recomanda t_1'=t₀.t_k-(1020)°C. De regula insa, o crestere atat de pronuntata a temperaturii vaporilor, respectiv o subracire atat de avansata a condensului, necesita suprafete mari de schimb de caldura ale Rg, deci o investitie initiala mare, la realizarea instalatiei. In consecinta, din considerente care tin seama in primul rand de ratiuni tehnico-economice, de cele mai multe ori, in practica, subracirea maxima a lichidului este de numai (5.10)°C, iar supraincalzirea corespunzatoare a vaporilor este de numai cca. (10.20)°C.

Amoniacul prezinta cea mai scazuta crestere a eficientei frigorifice, dar problema utilizarii subracirii regenerative in cazul acestui agent frigorific, este reprezentata de cresterea accentuata a temperaturii de refulare, odata cu supraincalzirea vaporilor aspirati. Temperatura de refulare creste atat de mult incat va fi depasita temperatura de grafitizare a uleiului de ungere, deci in cazul amoniacului nu se utilizeaza schimbatoare de caldura regenerative, ca solutie pentru cresterea eficientei frigorifice a ciclului.

Subracirea regenerativa este utilizata practic in toate instalatiile frigorifice cu freoni, de putere frigorifica medie si mare. Pentru instalatiile mici, introducerea schimbatorului de caldura regenerativ in schema instalatiei, mareste prea mult costul investitiei.

Influenta separatorului de lichid asupra ciclului frigorific

In instalatiile frigorifice destinate racirii lichidelor, pentru a limita riscul patrunderii de agent frigorific lichid in compresor, se utilizeaza de regula un separator de lichid, ca in instalatia din figura 92, avand schema functionala reprezentata in figura 93. Separatorul de lichid, are atat rolul de a separa eventualele urme de lichid care pot exista in vaporii de agent frigorific la iesirea din vaporizator, cat si rolul de alimenta vaporizatoarele cu lichid saturat, la presiunea de vaporizare. In urma laminarii condensului se obtin vapori umezi, deci in vederea alimentarii vaporizatorului cu lichid saturat, este necesara separarea lichidului de vaporii care se produc in urma laminarii. Separatorul de lichid este obligatoriu in instalatiile cu vaporizatoare imersate in bazine pentru racirea lichidelor, unde vaporizarea este incompleta, dar se utilizeaza adesea si in instalatii cu vaporizatoare multitubulare orizontale, in care teoretic, se produc vapori saturati.

In figura 94 sunt reprezentate procesele de lucru din instalatia frigorifica avand in componenta separator de lichid.

Considerand ca vaporizarea este incompleta, titlul vaporilor la iesirea din vaporizator

este x₆<1.

Cu notatiile din figurile 93 si 94, ecuatia de bilant termic pe vaporizator se poate scrie

sub forma:

                               (102)

Valoarea debitului masic din circuitul vaporizatorului, depinde de valoarea titlului

vaporilor la iesirea din vaporizator:

             (103)

unde r₀ reprezinta caldura latenta de vaporizare a agentului frigorific la presiunea de vaporizare p0 si temperatura de vaporizare t₀.

Inlocuind relatia (6) in (5), se poate obtine pentru debitul masic din vaporizator, o relatie de calcul de forma:

                                          (104)

Pentru determinarea debitului masic din circuitul frigorific principal al instalatiei, se scrie ecuatia de bilant termic pe separatorul de lichid:

              (105)

Analizand relatia (8), se observa ca valoarea debitului masic din circuitul care include compresorul (C), condensatorul multitubular orizontal (CMO) si ventilul de laminare (VL), pe de-o parte se calculeaza la fel ca in cazul instalatiei fara separator de lichid si pe de alta parte este o marime constanta, care nu depinde de valoarea titlului vaporilor la iesirea din vaporizator.

In aceste conditii se poate spune ca rolul separatorului de lichid este doar de a asigura functionarea "uscata" in conditii de siguranta a compresorului, fara a imbunatatii insa si performantele ciclului frigorific.

Bibliografie

1. Radcenco, Vs., Porneala, S., Dobrovicescu, Al - Procese in instalatii frigorifice, Ed Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1983.

2. Popescu,Gh., Apostol,V., Porneala S., s.a - Echipamente si instalatii frigorifice, Editura Printech, Bucuresti,2005

3. Porneala,S., Porneala,D., Dinache,P.,- Tehnica frigului si climatizarii in industria alimentara: Editura Universitara, Galati.2000.

4. Balan, M. Pompe de caldura si instalatii frigorifice. Ebook, 2004.

5. ***ASHRAE 2006. Properties of refrigerants.

6. Banu,C.Porneala, S., (colectiv) -Manualul inginerului din industria alimentara, Editura Tehnica, Bucuresti, 2002