VAPORIZATOARE SI CONDENSATOARE PENTRU INSTALATII FRIGORIFICE CU COMPRIMARE MECANICA A VAPORILOR

VAPORIZATOARE SI CONDENSATOARE PENTRU INSTALATII FRIGORIFICE CU COMPRIMARE MECANICA A VAPORILOR

1. Vaporizatoare

Vaporizatoarele sunt schimbatoare de caldura in care are loc vaporizarea agentului frigorific, feneomen insotit de preluarea caldurii de la mediul ce trebuie racit.

In functie de destinatie, vaporizatoarele pot fi:

• pentru racirea lichidelor;
• pentru racirea aerului;
• pentru racirea prin contact a unor produse solide.

1.1. Vaporizatoare pentru lichide

In functie de solutia adoptata, aceste vaporizatoarele asigura racirea lichidului prin:

• imersarea vaporizatorului in masa de lichid (vaporizatoare imersate);
• circulatia lichidului ce trebuie racit prin interiorul unui schimbator de caldura.

Vaporizatoarele imersate (deschise) sunt realizate sub forma de serpentina sau gratar, fiind scufundate in lichidul care trebuie racit.

Vaporizatoarele de tip serpentina (fig. 3.30) se utilizeaza pentru puteri frigorifice reduse (sub 20kW); in general se utilizeaza tevi netede (fara nervuri). Deoarece in serpentina vaporizarea este incompleta, pe circuitul de alimentare al vaporizatorului se monteaza un separator de lichid (vezi si fig. 3.17).

Vaporizatoarele de tip gratar (fig. 3.31) sunt formate dintr-un distribuitor de lichid (1, fig. 3.32), un colector de vapori (2) si tevi verticale (3).

Atat in cazul vaporizatoarelor de tip serpentina, cat si al celor de tip gratar, lichidul ce trebuie racit este vehiculat prin bazinul de racire cu ajutorul pompelor si agitat cu ajutorul unor agitatoare.

In cazul vaporizatoarelor inchise, atat agentul frigorific cat si lichidul ce trebuie racit circula prin tevi. Cele mai utilizate vaporizatoare inchise sunt cele multitubulare; cateva solutii constructive sunt prezentate in fig. 3.33.3.35.

Vaporizatorul multitubular din fig. 3.33 este format dintr-o manta exterioara (3), in interiorul careia se gasesc faciculele de tevi (2). Agentul frigorific circula prin exteriorul tevilor, intrand in stare lichida prin racordul (5) si iesind din vaporizator prin racordul (4), sub forma de vapori. Lichidul ce trebuie racit circula prin interiorul tevilor (2); tevile sunt inundate de agent frigorific lichid pe o inaltime de 60.80% din diametrul interior al mantalei, in functie de tipul agentului.

In interiorul mantalei, tevile pot fi dispuse sub forma de hexagoane (fig. 3.34a), patrate (fig. 3.34b) sau in cercuri concentrice (fig. 3.34c).

Pentru realizarea tevilor se utilizeaza urmatoarele materiale:

• oteluri, pentru temperaturi medii sau joase;
• cupru;
• aliaje cupru-nichel in diferite compozitii (de exemplu 70/30%, sau 90/10%);
• diferite tipuri de aliaje, cu zinc intre 22 si 40%;
• otelui inoxidabile.

In scopul imbunatatirii conditiilor de transfer al caldurii intre lichidul de racit si agentul frigorific, tevile pot fi prevazute cu nervuri interioare sau exterioare, care asigura marirea suprafetei de schimb de caldura.

Atunci cand se utilizeaza agenti frigorifici miscibili cu uleiul de ungere al compresorului (de exemplu R-134a), la temperaturi scazute poate apare separarea uleiului din agent. In acest caz se utilizeaza vaporizatoare multitubulare (fig. 3.35) la care agentul frigorific circula prin tevi, in timp ce lichidul de racit circula prin spatiul dintre tevi si manta. Astfel, viteza de circulatie a agentului prin tevi este suficient de mare pentru a asigura antrenarea uleiului separat.

Tevile prin care circula agentul frigorific pot fi drepte (fig. 3.35a) sau in U (fig. 3.35b); pe traseul lichidului de racit sunt prevazute sicanele (6), care au rolul de a dirija lichidul peste tevile cu agent frigorific. Pentru a se imbunatati conditiile in care are loc transferul de caldura, tevile prin care circula freoni pot fi prevazute cu nervuri interioare (fig. 3.36).

Pentru sarcini frigorifice mici se pot utiliza si vaporizatoare formate din doua tevi coaxiale (fig. 3.37); prin teava interioara circula lichidul care trebuie racit (racordurile 1, 2), iar prin teava exterioara circula agentul frigorific (racordurile 3, 4).

Schimbatoarele de caldura in placi sunt realizate prin imbinarea de placi care realizeaza intre ele spatii prin care circula agentii care schimba caldura. Acesti agenti ocupa alternativ spatiile dintre placile schimbatorului de caldura, astfel incat sa nu se amestece intre ei. In consecinta, spatiile dintre placi trebuie sa fie etansate fata de exterior si fata de spatiile in care se gasc alti agenti. Sistemul de etansare trebuie sa permita trecerea agentilor dintr-un spatiu in altul, uneori prin traversarea spatiilor destinate altor agenti. In functie de solutia constructiva adoptata, aceste schimbatoare pot fi demontabile sau nedemontabile

In fig. 3.38 este prezentat un schimbator de caldura in placi, nedemontabil; in fiecare placa sunt realizate canale pentru circulatia fluidului (fig. 3.39).

1.2. Vaporizatoare pentru aer

Aceste vaporizatoare sunt utilizate pentru racirea aerului in spatiile frigorifice (spatii de refrigerare, congelare sau depozitare); sunt realizate sub forma de tevi prevazute cu nervuri exterioare, pentru cresterea suprafetei de contact cu aerul.

Solutiile din fig. 3.41 a si b sunt prevazute cu nervuri plane continue (2), prin care trec tevile (1); la varianta din fig. 3.41c, nervura (3) este infasurata pe teava prin care circula agentul frigorific.

Pentru intensificarea schimbului de caldura intre vaporizator si aer se utilizeaza nervuri (lamele) ambutisate, in zig-zag sau ondulate (fig. 3.42).

In vazul in care vaporizatorul este destinat obtinerii de temperaturi negative, distanta dintre tevi trebuie sa fie suficient de mare pentru ca gheata formata sa nu obtureze circulatia aerului; in acest caz uneori se prefera utilizarea unor vaporizatoare realizate sub forma de serpentine, realizate din tevi netede (1, fig. 3.43), fixate cu ajutorul unor bride (3) pe suportii verticali (2).

Circulatia aerului prin vaporizator se poate realiza natural sau fortat.

Vaporizatorul din fig. 3.43, la care circulatia aerului se face natural (prin convectie libera) este realizat sub forma unei serpentine cu tevi netede, fiind montat pe peretele spatiului ce trebuie racit; acest tip de vaporizator se utilizeaza pentru racire la temperaturi negative si permite o degivrare (topire a ghetii formate pe vaporizator) usoara. In cazul vaporizatoarelor destinate spatiilor cu temperaturi pozitive (2.4⁰C), tevile vaporizatorului pot fi prevazute cu aripioare. Este important ca lungimile serpentinelor legate in serie sa nu fie prea mari, deoarece in acest caz cresc mult pierderile de presiune. In acest scop, vaporizatorul poate fi realizat conform schemei din fig. 3.44, fiind format din colectoarele (1) si (5), intre care sunt montate tevile nervurate (3). Exista si posibilitatea montarii vaporizatorului in plafon (fig. 3.45).

Fig. 3.44 - Vaporizator de perete

1, 5-colectoare; 2, 4-suporti; 3-tevi nervurate; 6-racord.

Vaporizatoarele cu circulatie fortata a aerului sunt prevazute cu ventilatoarele (1, fig. 3.46) pentru vehicularea aerului peste conductele vaporizatorului (2, fig. 3.46); vaporizatorul este format din mai multe sectii (1, fig. 3.47), conectate in paralel la colectoarele (2) si (3).

Tevile care formeaza sectiile pot fi dispuse in triunghi (fig. 3.48a) sau patrat (fig. 3.48b). Dispunerea tevilor dupa triunghiuri echilaterale asigura un coeficient de transfer termic mai bun, dar cu pierderi de presiune mai mari pe circuitul de aer, in timp ce dispunerea in patrate asigura un transfer termic mai putin performant, dar caracterizat prin pierderi de presiune mai reduse pe circuitul de aer.

Fig. 3.45 - Vaporizator cu circulatie naturala a aerului, montat in plafon

1-racord; 2, 3-colectoare; 4-suport de rigidizare; 5-tevi nervurate; 6-suport; 7-cot de legatura.

In fig. 3.49 este prezentat modul de amplasare in tavan a unui vaporizator cu un singur flux de aer. Aerul este aspirat prin partea din spate a aparatului, este racit in vaporizatorul (1) si apoi refulat peste produsele din camera frigorifica. Ventilatoarele (2) fie aspira aerul prin vaporizator (cazul din figura), fie refuleaza aerul peste vaporizator. Aparatele de acest tip sunt plasate pe tavan, aproape de pereti, ceea ce permite evacuarea usoara a apei provenite din degivrare.

1.3. Vaporizatoare pentru racire prin contact

Se utilizeaza pentru congelarea prin contact a produselor alimentare, instalatia find formata din placi metalice racite, intre care se aseaza produsele de congelat (fig. 3.50).

In functie de solutia adoptata, placile metalice pot fi:

• realizate prin imbinarea (sudarea) a doua foi din tabla de aluminiu, profilate prin ambutisare pentru a forma canale prin care circula agentul frigorific (fig. 3.51a, b);
• obtinute prin extrudare (fig. 3.51c);
• formate din foi de aluminiu plane (1, fig. 3.51d) intre care se gaseste serpentina (3), prin care circula agentul frigorific.

2. Condensatoare

Condensatoarele asigura racirea pana la saturatie si apoi condensarea agentului frigorific, proces insotit de cedare de caldura catre mediul inconjurator.

In functie de puterea termica, condensatoarele pot fi:

• racite cu apa, pentru puteri termice de peste 250 kW;
• racite cu aer, pentru puteri termice sub 50kW;
• racite mixt, cu apa si aer, pentru puteri de 50.250 kW.

2.1. Condensatoare racite cu apa

Cel mai utilizat tip de condensator racit cu apa este cel multitubular (fig. 3.52), cu circulatia apei de racire prin tevi (pentru a evita formarea de depuneri); agentul frigorific se raceste in spatiul dintre tevi si manta.

Alimentarea cu apa de racire se face pe la partea inferioara a condensatorului (racordul 5), asigurandu-se astfel o usoara subracire a agentului frigorific la iesirea prin racordul (4).

Exista si condensatoare multitubulare montate vertical, precum si condensatoare coaxiale, avand o constructie similara celei a vaporizatoarelor coaxiale (fig. 3.37).

2.2. Condensatoare racite cu aer

Principial, condensatoarele racite cu aer sunt asemanatoare vaporizatoarelor racite cu aer; circulatia aerului se poate realiza natural sau fortat. In cazul racirii fortate, debitul de aer este de 300.600 m³/h pentru fiecare kW de sarcina termica a condensatorului.

2.3. Condensatoare cu racire mixta

Principiul racirii mixte consta in realizarea curgerii libere a apei pe suprafata exterioara a condensatorului, fluxul de caldura fiind preluat atat de apa (care absoarbe caldura prin evaporare) cat si de aerul din mediul inconjurator. La condensatoarele atmosferice, apa este pulverizata pe tevile aparatului si curge sub forma de pelicula, preluand caldura si cedand-o apoi aerului atmosferic.

Condensatoarele cu racire mixta cu evaporare fortata sunt realizate conform schemei din fig. 3.55.

Acesta este prevazut cu un ventilator (5) care asigura circulatia aerului in contracurent cu apa pulverizata de rampa (3) pe serpentina condensatorului.

Caldura de condensare este preluata in cea mai mare parte de apa care se evapora in curentul de aer; curentul ascendent de aer contribuie de asemenea la racirea condensatorului.

Separatorul de picaturi (4) retine apa sub forma de picaturi antrenata de catre aer. In bazinul (1) are loc colectarea apei scurse de pe serpentina condensatorului si a celei retinute de separatorul de picaturi.

Deoarece o parte din apa se evapora si este evacuata in atmosfera odata cu aerul antrenat de ventilator, nivelul apei din bazinul (1) trebuie completat periodic. Consumul de apa este mult redus fata de sistemele de racire cu evaporare libera.

3. Degivrarea

Decongelarea (degivrarea) vaporizatoarelor pentru racirea aerului este necesara deoarece gheata sau zapada care se depun pe suprafata de transfer termic a bateriilor se comporta ca un izolator termic si in plus reduce suprafata libera de circulatie a aerului. In aceste conditii, la un moment dat eficienta vaporizatoarelor devine inacceptabil de redusa.

Formarea de gheata apare ca urmare a faptului ca temperatura suprafetelor vaporizatorului este mai mica decat temperatura punctului de roua, ceea ce duce la condensarea umiditatii din aer si ulterior la formarea de zapada sau gheata.

Degivrarea cu aer cald se poate utiliza in camerele de refrigerare, in care temperaturile sunt pozitive (2.4⁰). Prin intreruperea producerii de frig, aparatul se degivreaza datorita circulatiei aerului. Eficienta degivrarii se poate imbunatati prin recircularea peste bateriile de racire, in aceste perioade, a aerului din exterior, printr-un sistem de tubulaturi.

Degivrarea electrica este un procedeu utilizat in camere cu temperaturi negative. Caldura necesara topirii ghetii este furnizata de rezistente electrice amplasate in interiorul tevilor cu aripioare sau in exteriorul acestora. Distributia rezistentelor trebuie realizata astfel incat incalzirea cea mai intensa sa se realizeze in partea inferioara a bateriei.

Degivrarea cu vapori calzi este posibila atunci cand instalatia frigorifica este prevazuta cu mai multe vaporizatoare, montate in paralel. Vaporizatorul care trebuie degivrat se alimenteaza cu vaporii supraincalziti refulati de catre compresor, in timp ce restul vaporizatoarelor functioneaza normal. O schema de realizare a degivrarii cu vapori calzi este prezentata in fig. 3.57.

In cazul functionarii normale a instalatiei, robinetele (R₂), (R₄) si (R₈) sunt inchise, in timp ce robinetele (R₁) si (R₃) sunt deschise. Pentru degivrarea vaporizatorului (V₁), se deschid robinetele (R₂) si (R₈), iar robinetul (R₁) se inchide; astfel, vaporizatorul este scos din circuitul normal si este alimentat, prin (R₂) si (R₈), cu vapori refulati de catre compresor. Are loc astfel decongelarea vaporizatorului; condensul format in timpul decongelarii este refulat in conducta de alimentare (D) a vaporizatoarelor functionand in regim de racire.

Degivrarea prin inversarea ciclului este utilizabila in cazul in care vaporizatorul si condensatorul sunt construite din tevi prevazute cu aripioare. Prin inversarea ciclului, vaporizatorul devine condensator, iar condensatorul devine vaporizator. Caldura cedata de agent in vaporizatorul devenit condensator asigura topirea ghetii. Deoarece in perioada de degivrare pe condensatorul devenit vaporizator se poate forma gheata, ambele schimbatoare de caldura trebuie sa fie prevazute cu tavi pentru colectarea apei provenite din degivrare. Pentru inversarea ciclului este necesara utilizarea unui ventil special cu patru cai. Schema unei instalatii frigorifice care permite degivrarea prin inversarea ciclului este prezentata in fig. 3.58. Elementul care permite inversarea rolurilor intre vaporizator si condensator este supapa cu patru cai (4); in situatia din desen, instalatia frigorifica functioneaza normal, schimbatorul de caldura (1) avand rolul de condensator, iar schimbatorul (5) pe cel de vaporizator. Prin actionarea supapei cu patru cai astfel incat racordul (1) sa fie pus in legatura cu (2), iar racordul (3) cu racordul (4) - detaliul a) - sensul circulatiei lichidului se schimba, (1) devenind vaporizator si (5) condensator.

Supapele de sens unic (6) si (9) asigura scurtcircuitarea ventilului de laminare care nu este utilizat; pentru cazul din figura ventilul de laminare (9) este scos din circuitul agentului frigorific, ventilul (6) asigurand destinderea lichidului inainte de intrarea in vaporizatorul (5).