Laminarea in instalatiile frigorifice, Capacitatea ventilului de laminare termostatic

Laminarea

In instalatiile frigorifice, laminarea este procesul care se realizeaza cand agentul frigorific lichid trece printr-o sectiune ingustata, datorita careia se modifica presiunea fluidului, de la valoarea presiunii de condensare p_k pk a lichidului obtinut in condensator, pana la valoarea presiunii de vaporizare p₀ p0 a agentului care urmeaza sa ajunga in vaporizator. Acest proces se realizeaza in ventilul de laminare, care din punct de vedere constructiv se aseamana cu un robinet, sau o diafragma avand orificiul de curgere calibrat. Laminarea este considerata adiabatica, deoarece se desfasoara fara interactiuni termice cu mediul ambiant.

Avand in vedere ca in timpul realizarii acestui proces termodinamic, nu se manifesta nici

interactiuni sub forma de lucru mecanic, se poate considera ca entalpia ramane constanta.

In instalatiile de putere frigorifica redusa, cum sunt de exemplu echipamentele frigorifice casnice, sau unele aparate de conditionare a aerului, laminarea adiabatica se poate realiza si in tuburi capilare.

Indiferent de dispozitivul fizic in care este realizata, laminarea adiabatica este un proces ireversibil. Pierderile care se manifesta in cadrul acestui proces, sunt datorate curgerii cu frecari, turbulente si omogenizari. Ireversibilitatile interne ale procesului de laminare adiabatica, duc la cresterea entropiei agentului frigorific.

Constructia si functionarea ventilului de laminare termostatic. Ventilul de laminare furnizeaza agentul de lucru cu care urmeaza sa fie alimentat vaporizatorul. Simplitatea constructiva si functionala a acestui dispozitiv, permite modificarea usoara a conditiilor de realizare a curgerii, cu toate implicatiile care decurg asupra modificarii conditiilor de lucru din instalatie. Din aceste motive, in practica instalatiilor frigorifice ventilul de laminare este folosit adesea si ca dispozitiv de automatizare, in vederea controlarii procesului de alimentare cu lichid a vaporizatorului. Este evident, ca in mod indirect, prin cantitatea de lichid din vaporizator, poate fi controlata puterea frigorifica realizata de instalatie.

In figura 72 este prezentat un racitor de aer alimentat prin ventil de laminare, iar in figura 73 este redata schema de alimentare prin ventil de laminare a unui vaporizator, racitor de aer. Deoarece imediat dupa laminare, agentul frigorific ajunge in racitorul de aer, aceste tipuri de aparate sunt denumite si vaporizatoare cu detenta directa.

La intrarea in ventilul de laminare, agentul frigorific 1, este lichidul subracit care rezulta din condensator. In urma laminarii, se obtine un amestec de lichid si vapori saturati uscati 2, care intra in vaporizator. Lichidul vaporizeaza complet in interiorul serpentinei, pozitia sfarsitului vaporizarii fiind notata cu 3. La iesirea din vaporizator se obtin vapori supraincalziti 4, iar gradul de supraincalzire in vaporizator, prezinta o influenta determinanta asupra functionarii ventilului de laminare.

Ventilul de laminare prezentat anterior, a carui schema constructiva si functionala este redata in figura 74, este denumit termostatic, deoarece functionarea acestuia este controlata de temperatura vaporilor la iesirea din vaporizator.

Pe corpul (a) al ventilului de laminare termostatic, este fixata diafragma avand orificiul de curgere calibrat (b). Unele constructii au diafragma interschimbabila, ceea ce largeste domeniul de utilizare a ventilelor respective. Organul de inchidere al ventilului (c), obtureaza sau elibereaza traseul de curgere a agentului frigorific, prin orificiul calibrat al diafragmei. Pozitia organului de inchidere este influentata de resortul (d) si de membrana elastica (f). Membrana, impreuna cu capacul (g), tubul capilar (h) si bulbul (i), alcatuiesc impreuna elementul termostatic, denumit astfel deoarece prin intermediul acestor componente, temperatura vaporilor furnizati de vaporizator, actioneaza asupra organului de inchidere al ventilului de laminare. Asupra aceluiasi element actioneaza si resortul, care poate fi tensionat sau detensionat, cu ajutorul elementului de reglaj (e).

Organul de inchidere al ventilului de laminare, este fixat prin intermediul unei tije, de membrana elastica, iar cele doua elemente se deplaseaza solidar. Miscarea membranei este determinata pe de-o parte de presiunea de vaporizare p₀, care se manifesta in spatiul dintre corp, diafragma si membrana si pe de alta parte de presiunea din elementul termostatic, denumit uneori si tren termostatic. Aceasta presiune a fost notata cu p_b, deoarece are aceeasi valoare ca si in bulb. Presiunea p_b, reprezinta tocmai valoarea presiunii de saturatie a agentului frigorific din elementul termostatic, determinata de valoarea temperaturii vaporilor usor supraincalziti, furnizati de vaporizator. Temperatura vaporilor este denumita adesea si temperatura bulbului. De obicei, in elementul termostatic, se regaseste agentul frigorific din instalatie. In afara celor doua presiuni, care determina deplasarea membranei, asupra organului de inchidere al ventilului, actioneaza si tensiunea resortului, care este echivalenta tot cu o presiune, notata cu p_r . Prin intermediul organului de inchidere si al tijei, p_r actioneaza tot asupra membranei elastice. Analizand schema constructiva a ventilului de laminare termostatic, se poate constata ca valoarea presiunii de condensare p_k , a agentului frigorific la intrarea in ventil, nu influenteaza pozitia membranei si a organului de inchidere al ventilului.

Aceasta presiune actioneaza asupra suprafetei organului de inchidere, cu aceeasi intensitate de jos in sus, ca si de sus in jos, deci nu influenteaza pozitia acestuia.

In figura 75 este prezentata schema fortelor, respectiv presiunilor care actioneaza asupra membranei elastice a ventilului de laminare termostatic si determina inchiderea sau deschiderea acestuia.

Deoarece presiunile de vaporizare p₀ , a resortului p_r  si din bulb, respectiv trenul termostatic p_b , actioneaza asupra aceleiasi suprafete a membranei, fiecare din cele trei presiuni, inmultita cu suprafata membranei, genereaza cate o forta de inchidere sau de deschidere a ventilului, notate cu F₀, F_r, respectiv F_b.

Membrana elastica si resortul, respectiv organul de inchidere al ventilului de laminare termostatic, sunt in echilibru, cand cele trei forte, respectiv presiuni, respecta relatiile:

p_b=p₀+p_r                                              (92)

F_b=F₀+F_r                                               (93)

Presiunea de vaporizare p0 si presiunea din bulb p_b , sunt determinate de conditiile de lucru ale instalatiei, iar presiunea exercitata de resort p_r , este reglabila cu ajutorul unui element de reglare.

Ventilul de laminare termostatic este deschis si permite curgerea agentului frigorific, deci alimentarea cu lichid a vaporizatorului, daca:

p_b≥p₀+p_r                                              (94)

F_b≥F₀+F_r                                               (95)

Ventilul de laminare termostatic este inchis si nu permite curgerea agentului frigorific, deci alimentarea cu lichid a vaporizatorului, daca:

p_b<p₀+p_r                                              (96)

F_b<F₀+F_r                                               (97)

Pozitia de echilibru a membranei, difera in functie de valorile presiunilor, respectiv fortelor care determina deplasarea acesteia. Astfel, cand creste presiunea de deschidere, membrana coboara, ceea ce determina comprimarea, deci tensionarea resortului, avand ca efect cresterea presiunii de inchidere datorata resortului, iar cand scade presiunea de deschidere, membrana urca, ceea de determina destinderea resortului , avand ca efect scaderea presiunii de inchidere datorata resortului. De asemenea, presiunea de vaporizare, contribuie mai mult sau mai putin la inchiderea resortului, in functie de valoarea acestei presiuni, corelata la randul ei, cu temperatura de vaporizare.

Trebuie observat ca ventilul de laminare termostatic regleaza gradul de supraincalzire a vaporilor la iesirea acestora din vaporizator. Cand creste temperatura vaporilor, creste si presiunea din bulb, ceea ce determina deschiderea mai puternica a orificiului de curgere a agentului frigorific, deci alimentarea cu mai mult lichid a vaporizatorului, ceea ce va reduce gradul de supraincalzire. Cand scade temperatura vaporilor, scade si presiunea din bulb, ceea ce determina inchiderea orificiului de curgere si alimentarea cu mai putin lichid a vaporizatorului. In acest mod, se observa ca gradul de supraincalzire este mentinut intre anumite limite, care au fost prezentate in capitolul referitor la vaporizare. Reglarea gradului de supraincalzire a vaporilor la iesirea din vaporizator, prin utilizarea ventilelor de laminare termostatice, este obligatorie in instalatiile in care compresorul aspira direct din vaporizatoare, fara a fi prezente separatoare de lichid, sau alte aparate similare. Obligativitatea reglarii gradului de supraincalzire, provine din faptul ca pentru asemenea instalatii, ventilele de laminare termostatice sunt singura solutie pentru evitarea patrunderii lichidului in cilindrii compresorului. Astfel, daca gradul de supraincalzire ar scadea teoretic la valoarea 0°C, atunci din vaporizator, ar putea rezulta la limita, un amestec de vapori saturati si lichid. Chiar daca lichidul s-ar gasi in cantitati mici, acesta ar putea ajunge in cilindrii compresorului, unde ar putea produce lovituri hidraulice, daca volumul lichidului la sfarsitul comprimarii ar depasi volumul spatiului mort. In asemenea situatii s-ar deteriora in primul rand supapele compresorului, dar este posibil sa se distruga si alte componente, cum sunt segmentii, pistonul, sau chiar chiulasa.

Functionarea ventilului de laminare termostatic, cu mentinerea valorii gradului de supraincalzire intre limite bine determinate, este potrivita si din punct de vedere al puterii frigorifice asigurate de vaporizator.

Cand din diverse motive creste necesarul de frig (de exemplu un depozit frigorific este alimentat cu o cantitate mare de produse alimentare proaspete si calde), excesul de caldura determina supraincalzirea excesiva a vaporilor, ceea ce va avea ca efect deschiderea puternica a ventilului si alimentarea vaporizatorului cu un debit mare de agent frigorific lichid, care va putea prelua excesul de putere frigorifica. Atunci cand, din diverse motive, scade necesarul de frig (de exemplu toate produsele dintr-un depozit frigorific au fost racite pana la temperatura de pastrare), scade si gradul de supraincalzire a vaporilor la iesirea din vaporizator, ceea ce determina inchiderea cel putin partiala a ventilului si alimentarea vaporizatorului cu un debit mult mai mic de agent frigorific, suficient insa pentru a prelua puterea frigorifica redusa a instalatiei in aceste situatii.

Din cele prezentate anterior, se observa ca ventilul de laminare termostatic alimenteaza vaporizatorul cu mult lichid, cand este nevoie de o putere frigorifica mare si cu putin lichid, cand este nevoie de o putere frigorifica mica.

Se poate observa si ca unui necesar de frig redus ii corespunde o presiune de vaporizare redusa si o temperatura de vaporizare de asemenea redusa. In acest caz, deschiderea redusa a orificiului de curgere, determina atat o laminare mai pronuntata a agentului de lucru, cat si alimentarea vaporizatorului cu un debit redus de agent frigorific.

Unui necesar de frig accentuat ii corespunde o presiune de vaporizare ridicata si o temperatura de vaporizare ridicata. In acest caz, deschiderea larga a orificiului de curgere, determina atat o laminare mai redusa a agentului de lucru, cat si alimentarea vaporizatorului cu un debit marit de agent frigorific.

Reducerii necesarului de frig, i se poate asocia si o reducere a temperaturii din spatiul racit, deci la intrarea aerului in vaporizator, iar scaderea corespunzatoare a temperaturii de vaporizare, mentionata anterior, este in concordanta si cu faptul ca in timpul functionarii vaporizatorului, diferenta totala de temperatura se mentine relativ constanta. Modul de functionare a ventilului de laminare termostatic, este perfect adaptat si acestei caracteristici a instalatiei frigorifice.

Cealalta presiune care influenteaza functionarea ventilului de laminare termostatic si anume presiunea de condensare p_k, este mentinuta relativ constanta in timpul functionarii instalatiei, indiferent de conditiile externe de lucru ale condensatorului, aceasta fiind una din functiile sistemului de automatizare a instalatiilor frigorifice.

In figurile 76 si 77 sunt prezentate doua tipuri de ventile de laminare termostatice produse de firma Danfoss. Principala diferenta constructiva consta in faptul ca presiunea cu care actioneaza agentul frigorific din instalatie asupra membranei elastice, este egalizata cu presiunea de vaporizare, fie printr-o constructie interna, in cazul primului ventil, fie printr-un racord suplimentar, denumit racord de egalizare externa a presiunii de vaporizare, in cazul celui de-al doilea ventil. Prima constructie prezentata, are avantajul simplitatii constructive. A doua constructie are avantajul ca tine seama de caderile de presiune din vaporizator si permite racordarea spatiului din ventilul de laminare, de sub membrana elastica a elementului termostatic, la presiunea de la sfarsitul procesului de vaporizare, prin intermediul unui tub capilar, conectat la racordul de egalizare a presiunii. A doua constructie este recomandata mai ales in cazul vaporizatoarelor cu trasee de curgere lungi, precum si cazul vaporizatoarelor cu mai multe serpentine alimentate independent (in paralel), caz in care sistemul de alimentare prevede si existenta unor tuburi capilare, unde se produce o cadere de presiune semnificativa.

Capacitatea ventilului de laminare termostatic

Functionarea ventilului de laminare termostatic este determinata nu doar de cele trei presiuni care determina pozitia organului de inchidere ci si de presiunile agentului frigorific la intrarea in ventil p_k, respectiv la iesirea din ventil p₀.

Pentru o mai buna intelegere a modului in care cele doua presiuni influenteaza functionarea ventilului de laminare, in figura 78 este prezentat un furtun prin care curge apa si care debiteaza liber in atmosfera. Este prezentata comportarea apei, nu numai pentru a se face o comparatie cu un fenomen extrem de comun si cunoscut de toti cei care au stropit o gradina, sau au vazut macar cum se procedeaza, respectiv au spalat sau macar au vazut cum se spala un automobil, dar si pentru ca agentul de lucru care curge prin ventilul de laminare este tot un lichid. Avand in vedere ca presiunea atmosferica pa, de la capatul liber al furtunului, este constanta, singura presiune care influenteaza curgerea apei, este presiunea din furtun. Cu cat aceasta este mai mare, cu atat debitul masic de apa debitat prin furtun, este si acesta mai mare.

presiunile de la cele doua capete ale furtunului. Debitul masic de agent frigorific lichid, care curge prin ventilul de laminare si alimenteaza vaporizatorul, este de asemenea proportional cu diferenta dintre presiunile agentului frigorific inainte si dupa ventilul de laminare.

 proportional cu Δp = p − p

In figura 79 sunt prezentate doua duze de curgere a agentului frigorific, prin diafragmele interschimbabile ale unui ventilul de laminare, avand diametre diferite ale orificiului calibrat.

Este evident ca pentru aceleasi presiuni de lucru, prin ventilul de laminare va curge un debit mai mare de agent frigorific, daca acesta este echipat cu duze avand diametrul orificiului calibrat mai mare, decat daca ventilul este echipat cu duze avand diametre mai mici ale orificiului de curgere.

Cu cat debitul masic de agent frigorific lichid, care curge prin ventilul de laminare este mai mare, cu atat mai mult lichid frigorific ajunge in vaporizator, deci cu atat mai mare va fi puterea frigorifica pe care o va asigura acesta. Este evident ca exista o corelatie intre debitul de lichid furnizat de ventilul de laminare si puterea frigorifica a instalatiei. In aceste conditii, poate fi definita o marime care sa caracterizeze capacitatea ventilului de laminare termostatic de a realiza putere frigorifica. Aceasta marime a fost denumita capacitatea ventilului de laminare termostatic. Deoarece in mod abuziv, firmele furnizoare de echipamente frigorifice utilizeaza denumirea de detentor pentru ventilele de laminare si marimea care le caracterizeaza, poarta uneori denumirea de capacitatea detentorului. Acest abuz de limbaj, provine mai ales din limba franceza, in care, literatura de specialitate utilizeaza adesea denumirea de detentor (détendeur), pentru ventilul de laminare.

Capacitatea ventilului de laminare de a furniza putere frigorifica, depinde asa cum s-a aratat, atat de conditiile de lucru, prin diferenta dintre presiunile de condensare p_k si de vaporizare p₀, cat si de diametrul orificiului de curgere al duzei cu care este echipat ventilul de laminare termostatic respectiv. Bineinteles, capacitatea ventilelor de laminare, depinde si de natura agentului frigorific. Unitatea de masura pentru capacitatea ventilelor de laminare, este Ton-ul.

1 Ton ≈ 3,5 kW

In tabelul alaturat, este prezentata capacitatea unui asemenea ventil de laminare, echipat cu o anumita duza, pentru diferite conditii de lucru. Asemenea tabele sunt indicate de producatorii de ventile de laminare termostatice.

1: Capacitatea este de 3,32 kW cu tk=50°C si t0=0°C (deci Δp=18,4-4=14,4 bar);

2: Capacitatea este de 2,88 kW cu tk=35°C si t0=0°C (deci Δp=12,5-4=8,5 bar);

3: Capacitatea este de 2,53 kW cu tk=35°C si t0=10°C (deci Δp=12,5-5,8=6,7 bar).

Pentru o temperatura de vaporizare constanta de 0°C, capacitatea detentorului scade de la 3,32 kW la 2,88 kW, cand Δp scade de la 14,4 bar (1), la 8,5 bar (2), ceea ce inseamna o reducere de cca. 13% a capacitatii ventilului de laminare termostatic.

Analog, la temperatura de condensare constanta de 35°C, capacitatea detentorului scade de la 2,88 kW la 2,53 kW, cand Δp scade de la 8,5 bar (2), la 6,7 bar (3), ceea ce inseamna o reducere de cca. 12% a capacitatii ventilului de laminare termostatic.

Din analiza asupra capacitatii ventilelor de laminare termostatice, prezentata anterior, se constata ca aceasta marime este orientativa, deoarece depinde mult de conditiile de lucru. Aceasta concluzie este importanta si trebuie sa se tina seama de ea la selectia din cataloage a ventilelor de laminare termostatice.

Reprezentarea procesului in diagrame termodinamice

Procesul de laminare adiabatica poate fi reprezentat in diagramele termodinamice, ca in figurile 80, respectiv 81.

In cele doua diagrame a fost reprezentat procesul termodinamic de laminare adiabatica in doua situatii, cand lichidul este subracit inainte de ventilul de laminare (1-2), respectiv cand lichidul laminat este saturat (1'-2'). Se observa ca subracirea are ca efect reducerea titlului vaporilor umezi obtinuti la sfarsitul laminarii.

Influenta subracirii lichidului inaintea laminarii, asupra parametrilor de performanta ai ciclului frigorific, va fi analizata intr-un capitol ulterior.