Cicluri frigorifice

Cicluri frigorifice

In continuare se prezinta cateva cicluri frigorifice, importante pentru introducerea unor notiuni teoretice, cum este eficienta frigorifica, dar si pentru prezentarea si analiza comparativa a performantelor instalatiilor functionand dupa aceste cicluri. Sunt descrise si aparatele componente ale instalatiilor frigorifice, din punct de vedere constructiv si functional. Ciclurile de functionare a instalatiilor frigorifice, prezentate in continuare sunt:

ciclul Carnot inversat, reprezentand ciclul frigorific ideal si reversibil, ciclul frigorific teoretic, mai apropiat de realitate, dar prezentand inca numeroase ipoteze simplificatoare si ciclul frigorific real, foarte apropiat de ciclurile dupa care functioneaza instalatiile intalnite in practica. Sunt prezentate si cateva elemente de calcul termic al ciclurilor frigorifice.

Ciclul Carnot inversat

Transportul caldurii de la sursa rece la sursa calda, se realizeaza cu consumul minim posibil de energie, printr-un ciclu Carnot inversat reversibil, denumit si ciclu frigorific ideal, care se va realiza in domeniul de vapori umezi, asa cum se observa in figura 13.

Procesul de lucru se desfasoara intre temperatura de vaporizare T₀, teoretic egala cu temperatura sursei reci T_r, temperatura de condensare T_k, teoretic egala cu temperatura sursei calde T_a, a mediului ambiant si cele doua adiabate reversibile (s = constant): de comprimare, respectiv de destindere, sensul de parcurgere a ciclului fiind antiorar.

Agentul frigorific preia caldura in vaporizatorul instalatiei, prin procesul izobar-izoterm

4-1. Vaporii obtinuti sunt comprimati adiabatic reversibil de compresor, prin procesul 1-2. Dupa ce este refulat de compresor, agentul de lucru ajunge in condensator, unde cedeaza caldura in procesul de asemenea izobar-izoterm 2-3. Lichidul rezultat se destinde in detentor, procesul de lucru 3-4 din acest aparat fiind tot adiabatic reversibil si in continuare ciclul se repeta.

Schimburile energetice specifice, corespunzatoare unui kilogram de agent frigorific, pot fi determinate pentru fiecare transformare componenta a ciclului in parte:

- caldura preluata de la sursa rece prin vaporizare la temperatura constanta si presiunea constanta p₀ este:

,                     [kJ/kg], (15)

- caldura cedata sursei calde prin condensare la temperatura constanta si presiunea constanta p_k este in valoare absoluta:

.                    [kJ/kg], (16)

- lucrul mecanic de comprimare, consumat adiabatic de compresor, in valoare absoluta, este:

,          [kJ/kg], (17)

- lucrul mecanic de destindere, furnizat adiabatic de detentor este:

,          [kJ/kg], (18)

- lucrul mecanic total consumat de ciclul Carnot inversat, in valoare absoluta este:

,      [kJ/kg], (19)

In continuare vor fi analizate particularitatile care diferentiaza ciclul frigorific de cel al

pompelor de caldura.

a) Ciclul frigorific este caracterizat prin faptul ca temperatura de vaporizare T0, notata uneori si cu T_v, este egala cu temperatura mediului racit T_r, astfel ca . Temperatura de condensare T_k este egala cu temperatura mediului ambiant T_a, deci .

,                     [kJ/kg], (20)

Caldura absorbita de un kilogram de agent frigorific, de la sursa rece, este denumita putere frigorifica specifica:

Eficienta frigorifica a ciclului frigorific este definita prin raportul dintre efectul util al

ciclului (puterea frigorifica specifica) si lucrul mecanic total consumat:

,          (21)

Lucrul mecanic minim, necesar functionarii unui ciclu frigorific, este cel consumat intr-un ciclu Carnot reversibil inversat, cel mai eficient din punct de vedere al consumului de lucru mecanic, iar marimea acestuia se poate calcula cu relatia:

                       (22)

Din analiza relatiilor (7) si (8) se observa ca la aceeasi temperatura Ta a mediului ambiant (sursa calda), cu cat scade temperatura Tr a mediului racit, cu atat creste lucrul mecanic l_c necesar ciclului Carnot inversat si scade eficienta e_f a ciclului, deci aparent un ciclu frigorific este cu atat mai eficient cu cat temperatura mediului racit este mai apropiata de temperatura mediului ambiant, dar in aceste conditii si efectul util produs de ciclul frigorific, este minim. Trebuie mentionat ca eficienta frigorifica, asa cum a fost definita, nu tine seama de calitatea frigului produs adica de valoarea temperaturii T_r la care se absoarbe caldura.

b) Pompa de caldura este caracterizata prin faptul ca temperatura de vaporizare T₀ (T_V) este egala cu temperatura mediului ambiant T_a (T₀=T_V=T_a), iar temperatura de condensare T_k este egala cu temperatura mediului incalzit T_c (T_k)=T_c).

Caldura cedata de un kilogram de agent frigorific sursei calde, efectul util al pompei de caldura este:

,              [kJ/kg], (23)

Eficienta pompei de caldura este:

,    (24)

Aceasta marime este inversul randamentului termic al ciclului Carnot direct reversibil evoluand intre aceleasi limite de temperatura, ceea ce arata inca o data ca ciclul Carnot inversat asigura consumul minim de lucru mecanic, iar acesta se poate calcula cu relatia:

,                      (25)

Se observa ca daca temperatura T_a a mediului ambiant ramane constanta, la cresterea temperaturii mediului incalzit creste lucrul mecanic consumat, deci eficienta pompei de caldura scade, dar in acelasi timp trebuie remarcat ca se imbunatateste calitatea caldurii furnizate de pompa de caldura.

c) Ciclul combinat este caracterizat de faptul ca temperatura de vaporizare T₀ (T_V) este egala cu temperatura mediului racit T_r, deci se poate scrie (T₀=T_V=T_a),, iar temperatura de condensare T_k este egala cu temperatura mediului incalzit T_c, deci T_k=T_c.

Acest ciclu are doua efecte utile, reprezentate prin cele doua calduri schimbate cu sursele de caldura, deci eficienta ciclului combinat este definita prin suma dintre caldura preluata de la sursa rece si caldura cedata sursei calde, raportata la lucrul mecanic necesar functionarii ciclului.

,                                       (26)

Ciclul combinat este mai eficient decat ciclul frigorific si al pompei de caldura considerate impreuna, pentru ca se exclud cele doua procese de condensare, respectiv de vaporizare, la temperatura mediului ambiant T_a. Cu cat creste diferenta dintre temperaturile celor doua surse de caldura, cu atat creste si lucrul mecanic necesar functionarii acestui ciclu, deci scade eficienta, ceea ce arata ca nici in cazul ciclului combinat, eficienta nu tine seama de calitatea (nivelul de temperatura) efectelor utile realizate.

Ciclul frigorific teoretic

Detentorul in care se realizeaza destinderea adiabatica a ciclului ideal, este o masina foarte complexa din punct de vedere constructiv, indiferent daca prezinta cilindri in care pistoanele sub actiunea agentului de lucru furnizeaza energie mecanica sistemului biela-manivela, sau daca este o turbomasina cu palete montate in rotor. In plus, lucrul mecanic obtinut in detentor are o valoare destul de scazuta, deoarece titlul vaporilor care se destind, este foarte redus, deci agentul de lucru se gaseste preponderent in stare de lichid, iar acesta fiind incompresibil, furnizeaza putina energie mecanica prin destindere. In consecinta, complexitatea constructiva a detentorului nu este justificata de lucrul mecanic obtinut, redus ca valoare, iar acest aparat a fost inlocuit in instalatiile frigorifice de un dispozitiv mult mai simplu din punct de vedere constructiv, denumit ventil de laminare, sau ventil de reglaj.

In ventilul de laminare, notat cu VL pe figura 14, asemanator din punct de vedere constructiv cu un robinet, sau cu o diafragma, care prezinta o sectiune de curgere ingustata, reglabila sau nu, se realizeaza un proces de laminare adiabatica. Presiunea scade de la presiunea de condensare p_k, in amonte de ventilul de laminare, pana la presiunea de vaporizare p₀, in aval de acest aparat. Procesul este adiabatic, pentru ca se desfasoara fara schimb de caldura cu mediul ambiant si deoarece nici nu se produc interactiuni cu exteriorul sub forma de lucru mecanic tehnic, este evident ca laminarea se desfasoara cu mentinerea constanta a entalpiei.

Ireversibilitatile interne ale procesului de laminare adiabatica: frecari, turbionari, omogenizari si altele, determina cresterea entropiei agentului de lucru. Cresterea entropiei poate fi explicata si prin faptul ca lucrul mecanic de destindere se transforma prin frecare in caldura, iar aceasta va fi inglobata de agentul frigorific, determinand cresterea entropiei.

In unele masini frigorifice, in special cele de puteri frigorifice reduse, destinderea se realizeaza intr-un dispozitiv chiar mai simplu si anume un tub capilar lung si de sectiune redusa. Aici scaderea presiunii se realizeaza tot datorita particularitatii curgerii. Aceasta este foarte complexa si de regula se studiaza experimental, modelarea matematica fiind dificila. Din punct de vedere termodinamic, transformarea din tubul capilar este considerata tot o laminare adiabatica.

Pentru ventilul de laminare, sau tubul capilar se utilizeaza uneori in practica exploatarii instalatiilor frigorifice, in mod abuziv si incorect tot denumirea de detentor, impusa de firmele producatoare, care le numesc astfel.

Procesul de comprimare al ciclului Carnot inversat are loc in domeniul vaporilor umezi, iar reglajul masinii frigorifice, astfel incat comprimarea sa se termine exact pe curba vaporilor saturati, este practic imposibil. Prezenta picaturilor de lichid in cilindrul compresorului C este nedorita, deoarece daca acesta nu vaporizeaza complet si ramane in spatiul mort la sfarsitul cursei de comprimare, poate sa provoace asa numitele lovituri hidraulice, iar acestea pot deteriora unele parti componente ale compresorului, in special supapele, care prezinta cea mai redusa rezistenta mecanica. Din acest motiv, in masinile si instalatiile frigorifice, procesul de comprimare se desfasoara in domeniul vaporilor supraincalziti, ceea ce are ca efect cresterea sigurantei in functionare, a compresorului.

In figura 14 este prezentata schema instalatiei frigorifice functionand dupa ciclul teoretic, in domeniul de vapori umezi, iar in figurile 15 si 16 este redat in diagramele T-s, respectiv lgp-h, ciclul teoretic in domeniul de vapori umezi.

Analizand diagramele in care a fost reprezentat ciclul frigorific teoretic, se constata usor, ca la iesirea din compresor, agentul frigorific are o temperatura mai mare decat cea de condensare, considerata egala cu a mediului ambiant. Deoarece aceasta temperatura este inregistrata la iesirea din compresor, poarta si denumirea de temperatura de refulare .