PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE AL INSTALATIILOR FRIGORIFICE

PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE AL INSTALATIILOR FRIGORIFICE

Instalatiile frigorifice si pompele de caldura sunt masini termice care preiau caldura de la un mediu avand temperatura mai scazuta si o cedeaza unui mediu avand temperatura mai ridicata, conform schemei din fig. 3.1. Mediul cu temperatura mai scazuta, de la care se preia caldura este denumit sursa rece, iar mediul cu temperatura mai ridicata, caruia i se cedeaza caldura, este denumit sursa calda. Deoarece au capacitate termica infinita, temperaturile surselor de caldura raman constante chiar daca acestea schimba caldura.

Conform principiului doi al termodinamicii, caldura nu poate trece de la sine de la un corp rece la unul cald; ca urmare, pentru transportul caldurii de la sursa rece la sursa calda este necesar un aport de energie din exterior. Conform principiului conservarii energiei putem scrie:

In cazul instalatiilor frigorifice, sursa rece se gaseste sub temperatura mediului ambiant, iar procesul de coborare a temperaturii sub aceasta valoare, este denumit racire artificiala.

Agentul de lucru care evolueaza in aceste instalatii este denumit agent frigorific.

Evident, pentru ca agentul frigorific sa poata prelua caldura de la sursa rece, temperatura sa trebuie sa fie mai mica decat temperatura sursei reci; similar, pentru ca agentul sa cedeze caldura sursei calde trebuie ca temperatura agentului frigorific sa fie mai mare decat temperatura sursei calde.

Intrucat am presupus initial ca sursa rece si sursa calda au capacitate termica infinita si temperaturile acestora nu se modifica, preluarea caldurii de catre agentul frigorific de la sursa calda se poate realiza:

• cu modificarea temperaturii agentului (fig. 3.2a);
• cu mentinerea constanta a temperaturii agentului (fig. 3.2b).

Din fig. 3.2. rezulta clar ca mentinerea unei temperaturi constante a agentului de lucru creaza cele mai bune conditii pentru transferul de caldura (diferenta maxima de temperatura); in cazul in care temperatura agentului frigorific creste, diferenta de temperatura la care are loc schimbul de caldura scade, iar cantitatea de caldura preluata de la sursa rece scade. Mentinerea constanta a temperaturii fluidului pe timpul preluarii caldurii se poate obtine doar prin schimbarea starii de agregare a agentului frigorific, pe baza utilizarii caldurii latente de vaporizare.

Acelasi rationament este valabil si pentru situatia in care agentul frigorific cedeaza caldura sursei calde: daca temperatura agentului se modifica (scade, fig. 3.3a), diferenta de temperatura la care are loc schimbul de caldura se micsoreaza, iar fluxul de caldura transmis se diminueaza fata de situatia in care temperatura agentului ramane constanta (fig. 3.3b). Mentinerea constanta a temperaturii agentului este posibila prin schimbarea starii de agregare, pe baza caldurii latente de condensare.

Din motivele prezentate anterior, in instalatiile frigorifice si pompele de caldura transferul termic intre agentul de lucru si sursele de caldura are loc prin schimbarea starii de agregare. Cele doua aparate ale instalatiei frigorifice (sau pompei de caldura), aflate in contact cu sursele de caldura, se numesc vaporizator si respectiv condensator.

Temperaturii t₀ la care vaporizeaza agentul frigorific, denumita temperatura de vaporizare, ii corespunde o presiune de saturatie unica p₀, denumita presiune de vaporizare. Analog, temperaturii t_k la care condenseaza agentul frigorific, denumita temperatura de condensare, ii corespunde o presiune de saturatie unica p_k, denumita presiune de condensare.

Efectul util al instalatiilor frigorifice frigul artificial) se realizeaza in vaporizator, prin preluare de caldura de la sursa rece.

Efectul util al pompelor de caldura se realizeaza in condensator, prin cedare de caldura sursei calde.

Domeniul de functionare al instalatiilor frigorifice si pompelor de caldura rezulta din fig. 3.4.

Astfel, instalatia frigorifica (fig. 3.4a) preia cantitatea de caldura Q₀ de la mediul ce trebuie racit si cedeaza cantitatea de caldura Q_K mediului exterior; pompa de caldura (fig. 3.4b) preia cantitatea de caldura Q de la mediul exterior si cedeaza cantitatea de caldura Q_I spatiului ce trebuie incalzit. Se observa ca atat pentru instalatia frigorifica, cat si pentru pompa de caldura, temperatura de condensare este mai mare decat temperatura de vaporizare; ca urmare si presiunea de condensare trebuie sa fie mai mare decat temperatura de vaporizare.

In functie de modul in care se poate obtine cresterea presiunii agentului frigorific, instalatiile frigorifice pot fi:

• prin comprimarea mecanica a vaporilor de agent - energia necesara transferului caldurii de la sursa rece la sursa calda este de natura mecanica, fiind obtinuta prin comprimarea vaporilor cu ajutorul unui compresor, care asigura cresterea de presiune;
• prin comprimarea termica a vaporilor de agent (cu absorbtie) - energia necesara transferului caldurii de la sursa rece la sursa calda este de natura termica.