COMPARATIE INTRE INSTALATIILE FRIGORIFICE CU COMPRESIE MECANICA INTR-O TREAPTA DE COMPRESIE CE FUNCTIONEAZA CU DIVERSI AGENTI FRIGORIFICI

Productia de CFC a fost supusa unor restrictii severe progresive, in cadrul prevederilor cuprinse in articolele Protocolului de la Montreal. Atit tarile dezvoltate, cit si cele in curs de dezvoltare, HCFC-urile si HFC-urile au fost primii substituenti ai CFC-urilor. O abordare rationala a etapizarii consumului de HCFC-uri ca substante chimice de tranzitie ar trebui sa igauie o perioada minima de timp pentru a permite industriei sa se dezvolte si sa comercializeze substantele alternative si noile echipamente corespunzaoare, pentru a evita costurile inutile. Pentru timp scurt, HCFC-urile

constituie ica o optiune valabila, ca substante de tranzitie, pentru instalatiile frigorifice si pentru echipamentele de aer conditionat. Totusi, pentru timp indelungat, pentru sistemele cu compresie mecanica de vapori, trebuie ganite alte substante. Prezenta lucrare s-a focalizat asupra urmtoarelor alternative:

a) tip HFC amestecurile zeotropice (clasa 404,407)

b) amoniacul R 717

c) Hidrocarburile si amestecurile lor (HC 290,HC 600 a)

Niciunul dintre agentii frigorifici prezentati nu sunt perfecti ei prezinta avantaje si dezavantaje Ex HFC-urile au potential mare de incalzire globala ,amoniacul este mai toxic ca ceilalti agenti.Eficienta energetica se leaga direct de incalzirea globala si de emisiile poluante .aceasta fiind o exigenta foarte imp pentru alegerile ag frigorifici.

HFC-urile sunt amestecuri cu effect de sera si sunt restrictionate prin CE 842/2006 dar au inca aplicabilitati largi in multe sectoare

Amoniacul si hidrocarburile sunt din ce in ce mai utilizate unde pot fi stocate usor dar si degajarile lor vor fi restrictionate dpdv al toxicitatii si inflamabilitatii.

Agentul frigorific R404 poate fi folosit in instalatiile care functioneaza cu R502 cu anumite modificari si anume sch tipului de ulei si filtrului .

GWP=Potential inc globala

ODP=coefficient afectare strat de ozon

COP=coef de performanta

TEWI= Impactul total echivalent de incalzire TEWI Total Equivalent Warming Impact)    

Proprietati R404

-temp ctitica 72C

-presiunea critica: 37.2 bar

-densitate: 482.16 kg/m3

componentele si compozitia lor: R125 - 0.44%

R143a -0.52%

R134a -0.04%

- masa molara: 97.604 kg/ kmol

- nu este inflamabil in aer

-ODP= 0

-GWP= 3260

Un alt agent de tranzitie din clasa 400 este agentul frigorific R407C care a fost creat ca un substituent care nu distruge stratul de ozon, pentru inlocuirea agentului frigorific R22, intr-o varietate de sisteme frigorifice si de aer conditionat.

Proprietati si caracteristici termodinamice ale agentului de tranzitie R407C sunt :

-temperatura critica: 86.12 C

-presiunea critica: 46.29 bar

-densitate: 453.43 kg/m3   

componentele si compozitia lor:

R32 - 0.23%

R125 -0.25%

R134a -0.52%

- masa molara: 86kg/ kmol

- nu este inflamabil in aer

-ODP= 0

-GWP= 1525

Amoniacul (NH3 -R717) este cel mai utilizat agent frigorific atit pe plan mondial cit si national.

Acesta este un gaz incolor cu miros caracteristic, principalul avantaj al acestui agent frigorific ecologic fiind proprietatile termodinamice si trasferul de caldura. Este inert fata de otel, materiale plastice si nemiscibil cu uleiul prezentind o sensibilitate redusa in contact cu aerul umed sau apa din instalatie. Comparativ cu freonii necesita pentru aceeasi putere frigorifica energie primara mai mica.

Dintre dezavantaje se mentioneaza:

-este toxic, explozibil s i inflamabil la concentratii volumice in aer de 15-28% sau la concentratii si

mai mici daca in amestec se afla vapori de ulei;

-provoaca leziuni mortale sau foarte grave;

-in contact cu ochii, gura, caile respiratorii produce iritatii;

-in prezenta apei ataca zincul, cuprul si aliajele acestora (alama, bronz), de aceea pentru instalalatiile cu amoniac industriale se utilizeaza conducte si echipamente din otel;

Proprietati si caracteristici termodinamice ale agentului frigorific ecologic NH3 sunt:

-temperatura critica: 132.25 C

-presiunea critica: 113.33 bar

densitate: 225 kg/m3   

-masa molara: 17.03 kg/ kmol

-ODP= 0

-GWP= 0

Agentul frigorific ecologic R290 (propan) a fost utilizat ca fluid de lucru in special in industria

petrochimica. in comparatie cu amoniacul, in instalatiile frigorifice care utilizeaza propanul se pot folosii materiale din cupru, iar compresoarele pot fi de tip semi-ermetic sau ermetic. Un dezavantaj ar fi inflamabilitatea si explozivitatea.

Proprietatti si caracteristici termodinamice ale agentului frigorific ecologic R290 sunt:

-temperatura critica: 96.7C

-presiunea critica: 42.51 bar

-densitate: 220.48 kg/m3   

-masa molara: 44.096 kg/ kmol

-ODP= 0

-GWP= 3

Agentul frigorific ecologic R600a (izobutan) nu este coroziv si prin urmare este compatibil cu

metalele si cu unele materiale plastice. Isobutanul este un gaz incolor si inflamabil. Reactioneaza

puternic cu oxizii, acetilena, halogenii si oxizii de azot. De asemenea actioneaza ca un sedativ la

nivelul sistemului nervos central.

Proprietati si caracteristici termodinamice ale agentului frigorific ecologic R600a sunt:

-temperatura critica: 134.7C

-presiunea critica: 36.29 bar

-densitate: 225.5 kg/m3   

-masa molar: 58.122 kg/ kmol

-ODP= 0

-GWP= 3

EX punct critic apa

Presiunea vaporilor de apa: Prin incalzirea apei si vaporilor de apa intr-un vas inchis, va creste mult presiunea si temperatura. Proprietatea vaporilor si lichidului vor deveni tot mai asemanatoare, pana la atingerea punctului critic la T_c = 374,12 °C und p_c = 221,2 bar ne mai putand distinge lichidul de vapori.

   

2)Studiu comparativ folosind agenti frigorifici de tranzitie R404 A R407C.Put frigorifica =30KW temp de vaporizare t =-25C,temp cond tc=-40 C

Instalatie cu compresie mecanica intr-o treapta

Concluzie:Studiul instalatiilor frigorifice intr-o treapata folosind diversi Ag frigorifici se observa : coeficientul TEWI are valoarea cea mai scazuta pentru agentii naturali NH3 si R600 ,Valoarea coeficientului TEWI este cu 10% mai mare la R 404 fata de R 407 (vezi fig 8,9).Agentii frigorifici NH3 si R600 au Coeficientul de performanta cel mai ridicat

AZEOTROPI Proprietate a unui amestec lichid de a fi format din componenti care fierb toti la aceeasi temperatura, dand vapori cu aceeasi compozitie ca a amestecului lichid din care provin;

.Zeotropici condenseaza intr-un anumit interval de temperatura (temperatura de alunecare). Temperatura de alunecare poate fi utilizata pentru a imbunatati performanta, dar acest lucru necesita modificarea echipamentului. Avantajul de amestecuri este ca acestea pot fi fabricate la comanda, pentru a se potrivi nevoilor specifice

Tabel 1. Freonii utilizati in instalatiile frigorifice si substituentii lor.

2) Clasificarea instalatiilor frigorifice

Producerea frigului artificial consta in scaderea si mentinerea temperaturii unui corp sau sisteme de corpuri sub temperatura mediului ambient.

Procedee de producere a frigului artificial pot fi:

-termodinamice

-electrice

-magnetice

Procedeele termodinamice sunt de 2 feluri:

Procedeee termodinamice deschise:

-Racirea prin evaporarea apei

-Racirea prin amestecuri frigorifice

Procedeee termodinamice inchise:

-Comprimare de vapori in compresoare mecanice

-Comprimare de vapori in ejectoare (inst frigorifice cu ejectie de vapori reci)

--Comprimare de vapori cu compressor termochimic (instalatii frigorifice cu absortie)

-Destindere de gaze comprimate intr-o turbina

-Destindere de gaze comprimate in organ de laminare

-Destindere de gaze comprimate in cimp centrifugal

Procedeele electrice si magnetice sunt urmatoarele:

-Efectul electrotermic de racier

-Demagnetizare adiabatica

Se vor prezenta instalatii frigorifice bazate pe procese termodinamice folosite la nivel industrial

1)Instalatii frigorifice cu absortie:

2)Inst frigorifice cu comp mecanica

Instalatii frigorifice care functioneaza dupa un ciclu deschis

-Procesul Linde Frankl

-Inst frigorifica cu destinderea unui gaz intr-un cimp centrifugal

Inst frigorifica cu destinderea unui gaz intr-un cimp centrifugal

Racirea unui gaz prin destindere intr-un cimp centrifugal se obtine intr-o conducta in care se introduce aer comprimat printr-un orificiu tangential d si care se turbioneaza puternic in jurul orificiului.Datorita fortei centrifuge a turbioanelor se produce in peretele interior al conductei o puternica compresie astfel incit in partea stinga cu ajutorul unui disc ce are orificii periferice si este montat la distanta 50D de orificiul de introducere se poate prelua aer cald .O parte din lucrul necesar comprimarii aerului este preluata de la aerul din zona centrala astfel ca energia lui scade si prin intermediul unui disc cu orificiul d se poate prelua in partea dreapta a tubului aer cu temperatura destul de scazuta .In tabel se prezinta valorile temp minime a aerului rece obtinut la destinderea aerului care intra cu temp initiala de 20C si presiuni variabile .Debitul de aer Q este dat la presiunea p=11 bar iar x este participarea volumetrica a aerului rece din volumul total de aer ce intra in tub Constructia tubului trebuie facuta foarte précis in vederea introducerii tangentiale a aerului si a realizarii unei suprafete interioare foarte neteda

Procedee de obtinere a frigului prin folosirea efectului de racire la trecerea curentului electric

1. Efecte termoelectrice

Se vede ca cea mai mare t.t.e.m. se poate obtine cu antimoniu (stibiu,Sb) si bismut (Bi) ca termocuplu metalic. Curentul electric circula de la Sb la Bi prin jonctiunea rece. Tensiuni mult mai mari se pot obtine folosind materiale semiconductoare pentru realizarea termocuplului. Metalele se pot ordona intr-o serie : Bi, Pt, Pb, Cu, Ag, Fe, Sb, astfel incat in oricare cuplu realizat curentul va circula in jonctiunea calda de la metalul aflat mai la stanga in serie catre cel aflat mai la dreapta

Efectul de racire Peltier

Fenomenul a fost descoperit in anul 1934 de ceasornicarul francez Peltier care a observat ca la un termocuplu daca ii inlocuiesc galvanometrul cu o baterie acesta se racea.Termocuplul este format din 2 materiale conductoare de natura diferita sudate intre ele .Racirea termoelectrica a inceput sa fie intens studiata o data cu aparitia semiconductorilor

O schema de racire temoelectrica este alcatuita din conductoarele 1si 2 sudate continuu .In sensul curentului ind in figura 3:12 la un capat se degaja fluxul de caldura Fc la temperatura Tc si la celalalt capat se produce absortia de flux de caldura F la temp T

Explicatia este urmatoarea :nivelul de energie al celor 2 conductoare in contact este diferit.Daca sub actiunea unui cimp electric electronii sunt obligati sa treaca din cond in care nivelul lor energetic este mai mare ,in conductorul in care nivelul lor energetic este mai mic ,surplusul de energie se transforma in caldura la locul de contact .Daca se inverseaza sensul curentului trecerea electronilor de la un nivel energetic mic la unul mai mare se face cu absortie de caldura deci locul de contact se va raci..Semiconductoarele sunt substante cu structura cristalina la care toti electronii sunt bine legati de nuclee nu exista electroni liberi Cu cresterea temperaturii apar zmulgeri de electroni de conductie care sub influenta unei diferente de potential sunt dirijati de la potentialul scazut la potentialul ridicat,prin semiconductor incepind sa circule un current deci la semiconductoare la crestere temperaturii se micsoreaza rezistivitatea in timp ce la metale creste.

O influenta importanta in cresterea conductivitatii o are introducerea de impuritati in semiconductor .Astfel introducerea de impuritati in semic maresc cond electrica de mii de ori Exista adaosuri donoare cu nivel de energie superior celui al semic care cedeaza electroni in zona de conductie.

Eficienta maxima se obtine cind un brat al termocuplului este format din semic cu adaosuri donoare (-) si celalalt cu adaosuri acceptoare (+)Daca sensul este astfel incit electronii liberi ai semic 2(-) merg in intimpinarea golurilor (+) din semic 1 la locul de contact dif de energie se transf in caldura .Daca se inverseaza sensul la locul de contact se absoarbe caldura deci se raceste.

Temperaturi minime realizate pina in present cu o singura baterie sunt in jur de -30C adica un Dt=(Tf-T0)=60C

Pentru obtinerea unor temperaturi mai scazute se folosesc elemente legate in cascada fig 3:13

Avantaje

_simplitatea constructiei

-Lipsa de uzura

-Reglaj continuu al temperaturii

Dezavantaje

-Fragilitatea termoelementelor la socuri

-Necesit funct continue fara intreruperi pentru preintimpinarea cond caldurii din exterior

-corst ridicat

Instalatia frigorifica cu absortie si gaz compensator

In aceste instalatii este folosit amestecul format din apa ca absorbant,ammoniac ca agent frigorific si un gaz inert H hidrogenul.

Gazul inert indeplineste urmatoarele functii:

-Mediu de egalizare a presiunilor intre dif parti componente ale instalatieisi elimina pompa de circulatie a solutiei intre absorbitor si fierbator

-Permite producerea de frig intr-un domeniu mare de temperatura

-Serveste ca mediu de transport al agentului frigorific.

In intreaga instalatie avem aceeasi presiune egala cu presiunea de condensare.Amoniacul are presiuni partiale diferite in diverse parti ale instalatiei in functie de procesul termodinamic respective.

Pentru presiunea totala se aplica legea amestecului de gaze a lui Dalton

p tot p H2 p NH3 p H2O

Se presupune ca functie de temperatura aerului inconjurator temperatura de condensare este de 30 C.Rezulta ca presiunea totala in instalatie este egala cu presiunea de condensare

Pc=12 bar.Din fierbator deflegmator si rectificator pleaca vapori de ammoniac care determina eliminarea gazului inert din condensator .deci in condensator p H2=0, p H2O=0

Condensul rezultat fara a se lamina intra in evaporator.Acesta este umplut cu Hidrogen.In evaporator are loc procesul de evaporare a amoniacului si de difuzie a vaporilor prin gazul inert .Procesul de evaporare este determinat de diferenta de presiune partiala intre vaporii din stratul superficial al lichidului si vaporii din amestecul cu gaz inert.In ac conditii creste presiunea partiala a vaporilor de ammoniac din amestecul cu gaz inert .Amestecul a avut la inceputul procesului de evaporare p H2 =11 bar si p NH3=1 bar si la sfirsit functie de temperatura aleasa de ex F =5C , p NH3=3,5 bar , p H2=8,5 bar

Amestecul ammoniac-Hidrogen este mai greu ca Hidrogenul pur si coboara in evaporator de unde pleaca spre absorbitor In cadrul procesului de evaporare el preia caldura de la mediul inconjurator =dulapul interior

Ca urmare a presiunii variabile a vaporilor de ammoniac in evaporator si temperatura acestuia va fi variabila .In partea de sus temperatura va fi mai scazuta si se utilizeaza la producerea ghetii in partea de jos va fi mai ridicata si va raci alimentele din dulap.

Amestecul ammoniac -hidrogen pleaca spre absorbitor unde se scurge prin gravitatie .Rezistenta hidraulica intre evaporator si absorbitor este de 0,2-0,4 mm col H2O In absorbitor solutia saraca absoarbe vaporii de ammoniac din amestec,hidrogenul devine mai usor si se scurge inapoi spre evaporator .

Se realizeaza astfel o circulatie continua pe baza de diferenta de densitati intre evaporator si absorbitor Racirea absorbitorului se face cu aer .

Solutia bogata iese din absorbitor spre fierbator .Pentru ca solutia sa ajunga in fierbator o parte din ea se vaporizeaza in portiunea de serpentina iar vaporii produsi realizeaza fenomenul de pompare pe baza principiului termosifonului.Incalzirea se produce fie cu o rezistenta electrica fie cu gaze.In fierbator se realizeaza fierberea finala a solutiei.Solutia saraca se reintoarce spre absorbitor prin cadere libera trecind in prealabil prin economizor Vaporii din fierbator se rectifica in rectificator si apoi in deflegmatorul racit cu aer dupa care continua circuitul prin condensator .Pe acest principiu au fost construite in Romania frigiderele casnice Pinguin,Fram Frigolux incalzit cu gaze

Caract frigiderului Fram

Cap cuva 102 l

Tensiune alimentare 110 V 220V

Prezistenta=150-165 W

Temperatura minima ajungea in jurul -8 -11C iar puterea frigorifica era in jurul a 60W Coeficientul termic al instalatiei era destul de redus h=0,25

In ultima vreme o serie de firme straine au adus perfectionari frigiderului cu absortie facind sa ajunga la consumuri energetice comparative cu frigiderele cu compresie .Este de semnalat frigiderul cu absortie prevazut cu 2 temperaturi de vaporizare fig 1:25 Exista frigidere cu absortie care relizeaza 20% din puterea frigorifica la temp de vaporizare de -25 -30C si 80%la temp de vaporizare de -5 -16Cla aceste frigidere consumul de energie este la fel ca la cele cu compresie mecanica avantajul celor cu absortie ca produc frig pe un domeniu larg de temp pe cind cele cu compresie mecanica trebuie sa lucreze in domeniul cu temperatura cea mai scazuta.

In fierbatorul 1 se produce fierberea solutiei bogate de ammoniac -apacare apoi se rectifica si condenseaza in condensatorul 2 .Amoniacul lichid trece prin schimbatorul regenerative 5 si intra in vaporizatorul de joasa temperatura 3 In vaporizator exista Hidrogenul care reduce presiunea amoniacului (presiunea totala este p tot =24 bar, pNH3=1 bar. Amestecul de ammoniac si Hidrogen coboara spre vaporizatorul 4 montat mai jos in dulap unde presiunea partiala a amoniacului ajunge la pNH3=3 bar

Amestecul de ammoniac si Hidrogen ajunge la colectorul de solutie 7 si apoi prin economizor in absorbitorul 6 .Aici are loc absortia vaporilor de ammoniac de catre solutie eliberinduse Hidrogenul ce ajunge din nou in vaporizator .Solutia bogata (conc 30%) ajunge la fierbator printr-un alt economizor iar de la fierbator se intoarce solutie saraca (cca 10%) .Raportul termic la frigiderele Sibir ajunge la 0,51 Consumul energetic este comparabil cu cele cu compressor

Def DEFLEGMATOR

Un deflegmator este un condensator, care condenseaza vaporii si le inapoiaza pe acestea, inaintea condensatorului propriuzis, cazanului de fierbere. Prin acest procedeu se creeaza o separare mai complexa al vaporilor, pentru ca printr-o simpla distilare nu se separa complet, doua sau mai multe substante. Aceasta inseamna ca, vaporii constau inca dintr-un amestec.

Ca sa treaca doar lichidul dorit care fierbe mai repede, deflegmatorul se va incalzi putin mai mult decit punctul de fierbere al lichidului respectiv. Lichidul care fierbe mai greu, este condensat in deflegmator si intra inapoi in cazanul de fierbere.

Constructie frigider cu absortie

Frigiderul cu absortie este un aparat electrocasnic de o conceptie si functionare simpla nu contine piese in miscare nu face zgomot.

Obtinerea temperaturilor scazute in camera frigorifica se face prin intermediul unui circuit al vaporilor de ammoniac si un circuit al solutiei de ammoniac.

Circuitul vaporilor de ammoniac incepe de la fierbator in care se formeaza vapori bogati de ammoniac cu o concentratie de 80-90% ca urmare a incalzirii solutiei de ammoniac cu o rezistenta electrica .De la fierbator vaporii bogati in ammoniac trec la rectificator in care o parte din vaporii de apa condenseaza si revin in fierbator. De la rectificator vaporii de ammoniac trec in deflegmator de unde vaporii fini de apa se intorc in fierbator.De la deflegmator vaporii de ammoniac purificati ajung in condensator in care se produce racirea si condensarea vaporilor de ammoniac.De la condensator amoniacul sub forma lichida se scurge in tubul sub forma de U capatul liber intrind in vaporizator Dupa ce tubul U s-a umplut si picaturile de ammoniac lichid au trecut in vaporizator se produce fenomenul de laminare continua prin difuziune.Ca urmare a acestui process de laminare continua se produce o scadere a temperaturii vaporilor de ammoniac care ajung sub -10C se absoarbe caldura din camera frigorifica unde este amplasat vaporizatorul .

De la vaporizator vaporii de ammoniac impreuna cu hidrogenul H ajung la absorbitor unde se afla solutia saraca de ammoniac solutie care absoarbe intens vaporii de ammoniac cu degajare de caldura,lasind liber Hidrogenul care se intoarce in vaporizator.Cu acest process de absorbire se incheie circuitul vaporilor de ammoniac.

Circuitul solutiei de ammoniac cuprinde un circuit sarac al solutiei in ammoniac de la fierbator la absorbitor si un circuit al solutiei bogat in ammoniac de la absorbitor la fierbator

Inainte de a ajunge la absorbitor solutia saraca in ammoniac trece printr-un schimbator de caldura unde cedeaza o parte din caldura acumulata prin incalzire in fierbator.

De la absorbitor solutia de ammoniac care are o concentratie mai bogata datorita vaporilor de ammoniac proveniti de la vaporizator,trece prin acelas sch de caldura absorbind caldura cedata de solutia saraca,dupa care ajunge la fierbator sub forma de solutie bogata in ammoniac si preincalzita.Cu aceasta se incheie circuitul solutiei de ammoniac.