AGENTI FRIGORIFICI

Pentru a permite functionarea ciclica a instalatiilor frigorifice, agentii termodinamici de lucru din acestea preiau caldura prin vaporizare si cedeaza caldura prin condensare, la temperaturi scazute sau apropiate de ale mediului ambiant, deci trebuie sa fie caracterizate de unele proprietati particulare, care ii deosebesc de agentii termodinamici din alte tipuri de instalatii. Din acest motiv, aceste substante poarta si denumirea de agenti frigorifici.

Proprietati ale agentilor frigorifici

Proprietatile agentilor frigorifici sunt impuse de schema si tipul instalatiei, precum si de nivelurile de temperatura ale celor doua surse de caldura. Cateva dintre aceste proprietati sunt urmatoarele:

presiunea de vaporizare trebuie sa fie apropiata de presiunea atmosferica si usor superioara acesteia, pentru a evita aparitia vidului in instalatie;

presiunea de condensare trebuie sa fie cat mai redusa, pentru a nu aparea pierderi de agent frigorific si pentru a se realiza consumuri energetice mici in procesele de comprimare impuse de functionarea acestor instalatii;

caldura preluata de un kilogram de agent frigorific prin vaporizare trebuie sa fie cat mai mare, pentru a se asigura debite masice reduse;

volumul specific al vaporilor trebuie sa fie cat mai redus pentru a se obtine dimensiuni de gabarit reduse ale compresoarelor;

sa nu prezinte pericol de inflamabilitate, explozie si toxicitate;

sa nu fie poluanti (este cunoscut faptul ca unii agenti frigorifici clasici si anume cateva tipuri de freoni, contribuie la distrugerea stratului de ozon al stratosferei terestre).

1.1. INLOCUITORI PENTRU AGENTII FRIGORIFICI  POLUANTI TIP CFC

Epuizarea stratului de ozon, cat si efectul de sera datorat emisiilor de refrigeranti in atmosfera au condus la schimbari drastice in tehnologia instalatiilor frigorifice si a aerului conditionat inca din 1990. Acestea sunt valabile mai ales in domeniul frigului comercial si a centralelor de aer conditionat cu o larga aplicabilitate. Pana acum cativa ani principalii agenti frigorifici pentru aceste sisteme erau de tipul celor care conduc la epuizarea stratului de ozon cum ar fi: R12, R22, R502. Pentru aplicatii speciale erau utilizati R114, R12B1, R13B1, R12, R503. Cu exceptia R22 utilizarea acestor agenti frigorifici nu mai este permisa in statele puternic industrializate. In Europa exista o politica de a elimina si R22 (agent frigorific cu un potential de distrugere a stratului de ozon redus). Desi la ora actuala exista mai multi agenti frigorifici tip HFC fara clor (R134a, R404A, R507A, R407C, R410A precum si NH₃) raman suficiente sarcini de indeplinit pentru a micsora impactul de incalzire globala.

3.1.1. R134a inlocuitor pentru R12 si R22

R134a a fost primul agent frigorific tip HFC cu ODP=0 care a fost testat pe scara larga. Acum este utilizat pe scara larga in sisteme frigorifice si in instalatii de aer conditionat. Este utilizat atat in stare pura cat si ca parte componenta in amestecuri de agenti frigorifici.

R134a detine aceleasi proprietati termodinamice ca si R12: capacitatea de racire, necesarul de energie, nivelul presiunilor ca si temperaturile de functionare sunt comparabile cel putin in domeniul aerului conditionat si al instalatiilor frigorifice cu temperaturi medii de functionare. In concluzie R134a poate inlocui cu succes R12 in majoritatea cazurilor.

In anumite cazuri R134a este preferat ca inlocuitor pentru R22 datorita limitarilor de utilizare a R22 in instalatii noi. Totusi, datorita debitului volumic mai mic pentru R134a este necesar un compresor mai mare decat la R22. Totodata exista limitari ce trebuie luate in considerare in legatura cu vaporizarea la temperaturi scazute.

Testele efectuate au demonstrat ca performantele reale ale R134a depasesc performantele teoretice in cazul unor conditii variate de functionare a compresoarelor. Nivelurile de temperatura (gazul evacuat, ulei) sunt mai mici decat la R12 deci sunt chiar mai mici decat la R22. in concluzie sunt multe aplicatii potentiale in domeniul aerului conditionat cat si in cazul instalatiilot frigorifice de temperatura medie. Deoarece R134a are bune calitati la transferul de caldura in vaporizatoare si in condensatoare (spre deosebire de amestecurile zeotrope) favorizeaza o utilizare economica.

Lubrifianti pentru R134a si alti agenti frigorifici tip HFC. Gasire unui lubrifiant potrivit pentru R134a s-a dovedi a fi o problema. Uleiurile traditionale, minerale sau sintetice, nu sunt miscibile cu R134a, deci se pot depune in schimbatoarele de caldura (vaporizator, condensator) si vor afecta transferul de caldura pana la o functionare ineficienta a instalatiilor frigorifice. Noi lubrifianti au fost dezvoltati si acum au solubilitatea necesara pentru o buna functionare. Acesti lubrifianti au la baza polyol ester (POE) si polyalkylene glycol (POG). Au aceleasi caracteristici ca lubrifiantii traditionali insa sunt mai mult sau mai putin higroscopici (Qui fait condenser l'humidité de l'air) depinzand de solubilitatea refrigerantului. Aceasta cere atentie marita in timpul fabricatiei (incluzand deshidratarea), transportului, depozitarea si umplerea sistemelor pentru a evita reactii chimice in instalatie, cum ar fi hidroliza.

Criterii de proiectare si constructie a instalatiilor ce utilizeaza R134a. Pentru instalatiile care utilizeaza R134a sunt necesare anumite compresoare care utilizeaza uleiuri speciale si anumite componente ale sistemului frigorific adaptate la noul agent frigorific. Partile metalice utilizate in sisteme cu agenti frigorifici tip CFC nu reactioneaza cu uleiurile tip ester. Componentele din elastomeri trebuie inlocuite in anumite situatii, mai ales in cazul furtunurilor flexibile unde cerintele impun o umiditate reziduala minima si o permeabilitate redusa. Centralele trebuie deshidratate cu mare atentie, iar umplerea cu lubrifiant sau schimbarea acestuia trebuie facuta cu grija.

3.1.2. R404A ca inlocuitor pentru R502

Acesta este un substituent cu ODP=0 (fara clor), deci reprezinta o alternativa pe termen lung pentru R502. R404A este un amestec de agenti frigorifici din categoria HFC: R125/ R143a/R134a in proportie de 44/52/4 dintre care R143a apartine categoriei agentilor frigorifici inflamabili. Datorita amestecului cu o cantitate insemnata de R125 inflamabilitatea este redusa intr-o mare masura. O caracteristica comuna a celor trei agenti componenti este exponentul izentropic al compresiei care este foarte mic, rezultand o temperatura la evacuarea din compresor similara sau chiar mai mica decat R502. Aplicarea eficienta in instalatiile frigorificie cu o singura treapta de compresie cu temperaturi mici de vaporizare este deci garantata.

Datorita puntctelor de fierbere similare ale R125 si R143a, si cu o proportie redusa de R134a, variatia temperaturii pentru R404A intr-un domeniu relevant de aplicabilitate este mai mica de un Kelvin. Astfel, caracteristicile in cazul schimbatoarelor de caldura nu difera de cazul substantelor azeotrope. In cadrul testelor realizate in domeniul transferului de caldura s-au obtinut rezultate favorabile.

Potentialul de incalzire globala relativ mare GWP₁₀₀=3260..3300, in mare determinat de R134a si R125 reprezinta o problema. Totusi acesta este imbunatatit in comparatie cu R502 (GWP₁₀₀=5600), rezultand o imbunatatire a consumului energetic si o reducere a valorii TEWI.

Criterii de proiectare a instalatiilor cu R404A. Tehnologia utilizata se poate baza pe experienta obtinuta in instalatii ce utilizau R502 intr-un domeniu larg de aplicabilitate. Din punct de vedere termodinamic este recomandata utilizarea unui schimbator de caldura intre aspiratie si curba de lichid, imbunatatindu-se capacitatea frigorifica cat si COP-ul instalatiei.

3.1.3. R407C ca inlocuitor pentru R22

Un amestec intre R32, R125, si R134a in proportii de 23/25/52 este vazut ca fiind inlocuitorul pe termen scurt al R22 avand performante si eficiente similare. Spre deosebire de substituentii lui R502 cu aceiasi componenti, inlocuitorii lui R22 contin in proportii mai ridicate R32 si R134a. Astfel este obtinuta o buna corespondenta cu proprietatile lui R22 la nivelul presiunii, debitului masic, densitatii vaporilor si capacitatea volumica de refrigerare. Totodata se obtine o valoare mica a GWP₁₀₀= 1520, ceea ce presupune un factor TEWI favorabil utilizarii R407C ca inlocuitor pentru R22.

Variatia mare de temperatura (datorita amestecului) reprezinta un dezavantaj pentru aplicatiile uzuale care necesita proiectari adecvate ale sistemului si poate avea o infuluenta negativ eficienta schimbatoarelor de caldura.

Datorita proprietatilor mentionate R407C este nu bun inlocuitor pentru R22 in cazul instalatiilor de aer conditionat cat si in cazul instalatiilor frigorifice pentru temperaturi uzuale. In cazul temperaturilor de refrigerare scazute, datorita unei proportii insemnate de R134a, este de asteptat o scadere semnificativa a capacitatii de racire cat si a coeficientului de performanta. Exista si riscul unei concentratii ridicate de R134a in amestec in vaporizator, avand consecinta reducerea performantei si proasta functionare a ventilului de laminare.

Materialele utilizate precum si lubrifiantii folositi pot fi asimilate in aceleasi conditii ca si la agentii frigorifici comentati anterior.

Criterii de proiectare a instalatiilor ce utilizeaza R407C. Cu privire la sistemul tehnologic, experienta dobandita cu R22 poate fi aplicata doar intr-un domeniu restrans. Variaria de temperatura diferita necesita o proiectare particulara a componentelor sistemului (ex: vaporizator, condensator, ventil de laminare). In acest context trebuie avute in vedere schimbatoare de caldura care functioneaza in contracurent, cu o distributie optimizata a agentului frigorific.

3.1.4. R410A ca inlocuitor pentru R22

Este un amestec azeotrop, continand R32/R125 in proportii de 50/50. Acesta este utilizat in special in aplicatii ale aerului conditionat. O caracteristica reprezentativa pentru acest agent frigorific este reprezentata de o capacitate de racire cu aproximativ 50% mai mare decat a R22, insa cu consecinte asupra presiunii din sistem (o crestere proportionala a acesteia). Cercetarile au indicat o scadere a energiei consumate cand se utilizeaza la temperaturi scazute de condensare, acestea reprezentand bune premise pentru un factor TEWI scazut (GWP₁₀₀=1720).

Avantaje pot fi considerati si coeficientii de transfer de caldura ridicati in vaporizator si condensator, rezultand bune conditii pentru o crestere a eficientei. Datorita variatiei reduse de temperatura (<0.2K) utilizarea acestui amestec poate fi asimilata cu cea a unui agent frigorific pur.

Materialele utilizate precum si lubrifiantii folositi pot fi asimilate in aceleasi conditii ca si la agentii frigorifici comentati anterior. Totusi presiunea mai ridicata si sarcinile specifice mai mari trebuie luate in considerare in proiectarea componentelor instalatiei frigorifice.

Criterii de proiectare a instalatiilor  ce utilizeaza R410A. Criteriile fundamentale care stau la baza amestecurilor de HFC-uri se aplica si in cazul acestui agent frigorific, cu toate ca trebuie luat in considerare nivelul de presiune foarte ridicat (pentru o temperatura de 43⁰C presiunea care corespunde este de 26 bar). Pentru moment oferta de compresoare si alte componente ce pot fi incluse in sisteme care functioneaza cu R410A este limitata (primeaza regulile impuse de siguranta in exploatare). Datorita avantajelor oferite de acest amestec au loc cercetari si teste pentru noi componente ale sistemelor frigorifice care pot functiona cu R410A in conditii optime.

In incercarea de inlocuire a R22 cu R410A pentru aplicatii uzuale, diferentele importante ale proprietatilor  termodinamice (debitul masic si volumic, densitatea vaporilor) trebuie luate in considerare. Suplimentar, nivelul de presiune ridicat necesita schimbarea modului de proiectare al compresoarelor, schimbatoarelor de caldura, conductelor, avand in vedere regulile de siguranta pentru intreaga centrala frigoifica, fiind afectata calitatea si dimensiunile elementelor flexibile ale instalatiei.

Inca un criteriu important il reprezinta si punctul critic aflat la o temperatura relativ mica de 73⁰C, astfel temperatura de condensare este signifiant limitata.

3.1.5. Amoniacul (NH₃) ca inlocuitor pentru R22

Amoniacul este utilizat in instalatii frigorifice industriale de mai bine de un secol. Potentialul de distrugere al ozonului este nul (ODP=0) si nu are potential direct de incalzire globala (GWP). Eficienta amoniacului este cel putin la fel de buna ca in cazul R22, in anumite cazuri chiar mai favorabila. Deci contributia indirecta la incalzirea globala este redusa. Totodata pretul este incomparabil mai mic. Adunate acestea reprezinta calitatile inlocuitorului ideal pentru R22, chiar si pentru HFC-uri. Amoniacul are caracteristici bune care pot fi exploatate in special in instalatii frigorifice de mari dimensiuni.

Din pacate exista si aspecte negative care restrictioneaza utilizarea pe scara larga a amoniacului, mai ales in zona comerciala care necesita progrese pentru a putea utiliza amoniacul ca agent frigorific.

Un dezavataj il reprezinta exponentul izentropic ridicat (NH₃=1.31/R22=1.18/ R12=1.14) rezultand o temperatura la iesirea din compresor mai ridicata decat in cazul R22. Instalatiile frigorifice cu compresie intr-o singura treapta sunt obiectul unor restrictii pentru temperatura de vaporizare mai mica de -10⁰C.

O alta problema este ridicata de folosirea unor lubrifianti adecvati pentru instalatiile frigorfice de mici dimensiuni. Uleiurile folosite in trecut nu erau miscibile cu agentul frigorific. Astfel, uleiul  trebuie separat cu ajutorul separatoarelor de ulei si nu se pot utiliza vaporizatoare cu expansiune directa datorita degradarii in cadrul procesului de transfer de caldura.

Amoniacul are o diferenta a entalpiei foarte mare, rezultand un debit maxim circulat relativ mic (aproximativ 10-15% din debitul R22). Aceasta calitate a agentului frigorific este benefica in cazul centralelor frigorifice de mari dimensiuni, insa face greu de controlat sistemele de capacitate redusa.

Inca un criteriu care trebuie luat in considerare este actiunea coroziva a amoniacului asupra cuprului; deci tevile din cupru trebuie inlocuite cu otel. Inca o problema apare si datorita conductivitatii electrice a amoniacului cu un continut mai ridicat de umiditate. Alte caracteristici sunt toxicitatea si infamabilitatea, caracteristici care necesita masuri speciale de siguranta in constructia si exploatarea sistemelor care functioneaza cu amoniac.

Criterii de constructie si proiectare a instalatiilor care utilizeaza NH₃. Tinand cont de tehnologia existenta, sistemele frigorifice industriale necesita o structura diferita de cea a sistemelor comerciale.

Datorita nemiscibilitatii cu uleiurile lubrifiante si a caracteristicilor specifice acestui agent frigorific, sunt necesare separatoare de ulei eficiente, vaporizatoare inundate (flooded evaporators) si o circulatie realizata gravitational sau cu pompa de circulatie. Datorita pericolului reprezentat de amoniac pentru om sau pentru produsul care necesita racire, vaporizatoarele nu vor fi dispuse niciodata in incaperea ce trebuie racita. Este necesar un circuit secundar pentru transportul caldurii.

Compresoarele in doua trepte sau compresoarele cu surub cu racitoare de ulei de mari dimensiuni trebuie utilizate la raporturi de compresie medii datorita comportamentului termic nefavorabil. Toate componentele sistemului (conductele de agent frigorific, schimbatoarele de caldura si racordurile) trebuie realizate din otel. Compresoarele utilizate trebuie sa aiba motorul de actionare ca o componenta separata. Aceste masuri duc la un pret mai ridicat al sistemelor frigorific care utilizeaza amoniac, mai ales in cazul instalatiilor de dimensiuni mici sau medii.

In prezent au loc cercetari pentru lubrifianti partial solubili, cat si pentru metode simplificate care implica intoarcerea automata a uleiurilor nemiscibile (ca alternativa).

Instalatiile frigorifice deja existente pentru R22 nu pot fi adaptate pentru a functiona cu amoniac. Sistemele trebuie construite cu componente complet noi.

1.2. CARACTERISTICI ALE AMESTECURILOR  DE AGENTI FRIGORIFICI

Anumite tipuri de amestecuri ale agentilor frigorifici au fost dezvoltate pentru a fi utilizate fie in sisteme frigorifice noi, fie in cele deja existente care functioneaza cu agenti frigorifici poluanti.

Din punctul de vedere al tipurilor de amestecuri se disting doua categorii:

Amestecuri de tranzitie; majoritatea acestor amestecuri contin HCFC R22 ca principal constituent. Au fost creati in primul rand agenti frigorifici de tranzitie pentru sistemele frigorifice deja existente in zonele unde au fost impuse limitari pentru folosirea R12, R502 sau alti agenti tip CFC.

Amestecuri HFC pentru utilizare pe termen lung (fara clor); acestea sunt amestecuri pentru inlocuirea pe termen lung a R502, R22, R13B1 si R503. Dintre acestea R404A si R507A sunt deja utilizate pe scara larga.

In general amestecurile de agenti frigorifici se realizeaza cu doua sau trei componente. Acestea sunt de doua feluri:

azeotrope; proprietatile termodinamice sunt similare cu ale agentilor frigorifici simpli

zeotrope; amestecuri la care in momentul schimbarii de faza exista variatii ale proprietatilor termodinamice. Aceste amestecuri au fost dezvoltate pentru a fi utilizate in principal la sisteme cu joasa temperatura si sisteme de pompe de caldura.

In concluzie, in afara de R134a numai amestecurile pot fi inlocuitori de succes pentru R12.

3.2.1. Caracteristici generale ale amestecurilor zeotrope

Spre deosebire de amestecurile azeotrope care se comporta ca o singura substanta cu privire la procesele de condensare si vaporizare, schimbarea de faza la fluidele zeotrope apare variind intr-un anumit ecart de temperatura.

Aceasta variatie a temperaturii la schimbarea de faza poate fi mai mult sau mai putin pronuntata, in principal depinzand de punctele de fierbere si de participatiile procentuale ale substantelor individuale ce intra in componenta amestecului. Exista si definitii suplimentare care depind de valoarea efectiva a variatiei temperaturii: semi-azeotrop pentru variatii mai mici de un K.

Deoarece exista o diferenta semnificativa de temperatura (0,5.7⁰C) intre punctele lor de inceput si sfarsit de vaporizare (si condensare) la presiune constanta, aceasta trebuie luata in calcul la proiectarea vaporizatorului si condensatorului, fiind recomandat ca agentul frigorific sa circule la interiorul tevilor. Totodata trebuie evitate schimbatoarele de caldura inecate.

3.2.2. Caracteristici generale ale amestecurilor azeotrope

Amestecurile azeotrope de doi sau mai multi componenti au aceeasi compozitie in orice faza si se comporta ca o substanta pura la diverse temperaturi si concentratii.

Compozitia precisa ceruta de un amestec azeotrop depinde de presiunea si temperatura de lucru. Astfel pentru o temperatura de vaporizare de -40⁰C un amestec de 53% R125 si 43% R134a are un comportament azeotrop. Caracteristicile amestecurilor azeotrope constau in faptul ca presiunile de vaporizare si condensare  sunt superioare celor care caracterizeaza fiecare component. Utilizarea unui amestec azeotrop conduce la reducerea consumurilor cu pana la 33% si o reducere a suprafetei de condensare cu 20..25% comparativ cu freonul R22. Aceste tipuri de agenti rfigorifici nu necesita o modificare a instalatiilor existente (in cazul in care se doreste schimbarea agentului frigorific).

3.2.3. Inlocuirea CFC-urilor cu amestecuri zeotrope sau azeotrope

avantaje:

o      se pot realiza prin modificarea concentratiilor substantelor ce intra in compozitia amestecului substituenti cu caracteristici foarte apropiate de cele ale substantelor ce urmeaza a fi inlocuite;

o      chiar daca anumiti agenti frigorifici sunt inflamabili, amestecurile ce se formeaza pot fi neinflamabile.

dezavantaje:

o      variatia de temperatura a amestecurilor zeotrope in timpul schimbarii de faza;

o      modificarea compozitiei initiale prin eventuale scapari de agent frigorific in exterior, rezultand modificarea proprietatilor sau chiar aparitia inflamabilitatii amestecului ramas, in functie de cantitatea de refrigerant scapata in exterior.

1.    ALEGEREA AGENTULUI FRIGORIFIC

Se vor lua in considerare urmatorii agenti frigorifici:

• R717

• R22
• R134a
• R404A
• R407C
• R410A.

Se prezinta in continuare schemele teoretice de functionare si ciclurile teoretice aferente acestora, in functie de care se va face alegerea agentului frigorific:

Fig. 3.3.1. Schema de functionare a instalatiei cu amoniac

Fig. 3.3.2. Schema de functionare a instalatiei cu freon

Fig. 3.3.3. Ciclul teoretic de functionare a instalatiei cu amoniac

Fig. 3.3.3. Ciclul teoretic de functionare a instalatiei cu freon

In continuare prezentam parametrii termodinamici ai ciclului teoretic pentru fiecare agent in parte:

In alegerea agentului frigorific s-a tinut cont de urmatoarele criterii:

• coeficient de performanta cat mai ridicat
• raportul de compresie cat mai bun
• debitul masic de agent frigorific cat mai redus
• presiunea de vaporizare cat mai redusa.