Comparatie intre instalatiile frigorifice si pompele de caldura

Comparatie intre instalatiile frigorifice si pompele de caldura

Din punct de vedere principial, ciclul termodinamic inversat, dupa care functioneaza cele doua tipuri de instalatii, este identic. Ceea ce difera, este numai nivelul de temperatura la care se gasesc sursele de caldura, fata de temperatura mediului ambiant, notata cu t_a [°C], respectiv T_a [K].

Pentru a simplifica analiza comparativa a ciclurilor acestor instalatii, se considera ca intre sursele de caldura si agentul frigorific, schimbul de caldura se desfasoara in conditii ideale, adica la diferente infinit mici de temperatura. Acest tip de transfer termic presupune suprafete infinit de mari pentru transmiterea caldurii si o durata infinit de mare, ceea ce nu se poate intalni in realitate. Din punct de vedere teoretic, aceste ipoteze au insa avantajul ca simplifica mult analiza ciclurilor termodinamice. In aceste conditii temperatura sursei reci poate sa fie considerata egala cu temperatura de vaporizare a agentului frigorific, iar temperatura sursei calde poate sa fie considerata egala cu temperatura de condensare.

In figura 10, sunt prezentate trei scheme de instalatii functionand dupa cicluri termodinamice inversate:

- Instalatiile frigorifice, au temperatura sursei reci t_r[°C] sau T_r[K], egala cu temperatura de vaporizare t₀[°C] sau T₀[K], mai mica decat temperatura mediului ambiant t_a[°C] sau T_a[K]. In aceasta situatie particulara, sursa rece mai este denumita si mediu racit. Rolul acestor instalatii este de a prelua caldura de la mediul racit, in scopul racirii sau mentinerii unei temperaturi scazute a acestuia.

Caldura absorbita Q₀, sau puterea frigorifica absorbita , reprezinta efectul util al acestor instalatii. Sursa calda, in cazul instalatiilor frigorifice este reprezentata de mediul ambiant. Ciclul de lucru este reprezentat prin starile 1,2,3,4.

- Instalatiile de pompa de caldura, au temperatura sursei calde t_c[°C] sau T_c[K], egala cu temperatura de condensare t_k[°C] sau T_k[K], mai mare decat temperatura mediului ambiant t_a[°C] sau T_a[K]. In aceasta situatie particulara, sursa calda mai este denumita si mediu incalzit. Rolul acestor instalatii este de a ceda caldura mediului incalzit, in scopul incalzirii sau mentinerii unei temperaturi ridicate a acestuia. Caldura cedata Q_k, numita uneori si caldura pompata, sau sarcina termica a condensatorului , reprezinta efectul util al acestor instalatii. Sursa rece, in cazul pompelor de caldura este reprezentata de mediul ambiant. Ciclul de lucru este reprezentat prin starile 5,6,7,8.

- Instalatiile combinate, au temperatura sursei reci, egala cu temperatura de vaporizare, mai mica decat temperatura mediului ambiant, iar temperatura sursei calde, egala cu temperatura de condensare, mai mare decat temperatura mediului ambiant. Rolul acestor instalatii este de a absorbi caldura de la mediul racit si simultan de a ceda caldura mediului incalzit. Aceste echipamente au un dublu efect util, reprezentat evident de sarcinile termice ale vaporizatorului si condensatorului . Ciclul de lucru este reprezentat prin starile 9,10,11,12.

Agenti frigorifici

Pentru a permite functionarea ciclica a instalatiilor frigorifice si a pompelor de caldura, 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 nu apare vidul in instalatie;

- presiunea de condensare trebuie sa fie cat mai redusa, pentru a nu apare 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, prin vaporizare, trebuie sa fie cat mai mare, pentru a se asigura debite masice reduse;

- caldura specifica in stare lichida trebuie sa fie cat mai mica, pentru a nu apare pierderi mari prin ireversibilitati interne, in procesele de laminare adiabatica;

- 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).

Pentru a nu se utiliza denumirile chimice complicate ale acestor substante, agentii frigorifici au fost denumiti freoni, sunt simbolizati prin majuscula R, (de la denumirea in limba engleza - Refrigerant) si li s-a asociat un numar care depinde de compozitia chimica. Unii dintre cei mai cunoscuti agenti frigorifici sunt prezentati in tabelul 1, impreuna cu temperatura normala de vaporizare si indicele transformarii adiabatice.

Tabelul 1 Temperatura de vaporizare si indicele transformarii adiabatice (k), pentru cativa agenti frigorifici

Se observa ca acesti agenti au proprietatea de a vaporiza (fierbe) la temperaturi scazute, putand deci sa absoarba caldura, la temperaturi mai mici decat ale mediului ambiant.

Istoric

Istoricul fluidelor frigorifice incepe in anul 1834, cand americanul Jacob Perkins breveteaza o masina frigorifica functionand prin comprimare mecanica de vapori, utilizand ca agent frigorific oxidul de etil. Utilizarea unei asemenea masini s-a dovedit rapid limitata de nivelul ridicat de inflamabilitate al acestui agent.

In 1876 Carl von Linde, datorita utilizarii amoniacului ca agent frigorific, permite adevarata dezvoltare a instalatiilor frigorifice prin comprimare mecanica de vapori.

In 1880, introducerea unui nou agent frigorific, anhidrida carbonica, reprezinta inceputul utilizarii instalatiilor frigorifice pentru imbarcarea la bordul navelor a produselor alimentare.

In 1920, prin utilizarea anhidridei sulfuroase si a clorurii de metil, apar primele masini frigorifice de uz casnic sau comercial.

Incepand din 1930, apar primele hidrocarburi fluorurate si clorurate (CFC). Datorita caracteristicilor foarte interesante din punct de vedere termodinamic si datorita marii lor stabilitati atat termice cat si chimice, utilizarea acestora va aduce o ameliorare considerabila atat a fiabilitatii cat si a sigurantei in functionare a instalatiilor frigorifice cu compresie mecanica. Asa se explica de ce in comparatie cu amoniacul si clorura de metil, aceste substante poarta denumirea de agenti frigorifici de siguranta.

In numeroase tari, pe langa denumirea de freoni, agentii frigorifici pot fi intalniti si sub diverse denumiri comerciale, care pentru acelasi produs difera de la tara la tara si de la un producator la altul. R12 de exemplu, este numit Forane 12 (denumirea comerciala a Uzinei Kuhlmann din Franta), Flugene 12 (denumirea comerciala a firmei Pechine Saint-Gobain din Franta), sau Genetron 12 (denumirea comerciala a societatii Allied Chemical din S.U.A.). In unele publicatii stiintifice, chiar si denumirea de freoni, pentru desemnarea agentilor frigorifici, este considerata comerciala.

Compozitia chimica a freonilor

Din punct de vedere al compozitiei chimice, freonii, care sunt hidrocarburi fluorurate, pot fi impartiti in trei mari categorii:

- CFC (clorofluorocarburi), freonii clasici, care contin Cl foarte instabil in molecula;

- HCFC (hidroclorofluorocarburi), freoni denumiti de tranzitie, care contin in molecula si hidrogen, datorita caruia Cl este mult mai stabil si nu se descompune atat de usor sub actiunea radiatiilor ultraviolete;

- HFC (hidrofluorocarburi), considerati freoni de substitutie definitiva, care nu contin de loc in molecula atomi de Cl.

Pe langa cele trei categorii de agenti frigorifici mentionate, exista si agenti frigorifici naturali, intre care amoniacul (NH₃), simbolizat si prin R717, este cel mai important si cel mai utilizat, datorita proprietatilor sale termodinamice care il fac cel mai performant agent frigorific din punct de vedere al transferului termic.

Legatura dintre freoni si stratul de ozon Poluarea produsa de freoni, o problema atat de mediatizata si discutata in ultimii ani, reprezinta la ora actuala unul din motivele care explica numarul foarte mare de agenti frigorifici intalniti in diverse aplicatii ale tehnicii frigului.

La inceputul anilor '80, masuratori ale grosimii stratului de ozon de deasupra Antarcticii, au evidentiat ca grosimea acestuia devenise mult mai redusa decat in mod normal.

Stratul de ozon, avand un rol extrem de benefic, deoarece filtreaza radiatiile ultraviolete, se gaseste in stratosfera atmosferei terestre, aproximativ intre 12 - 50 km altitudine, asa cum este indicat in figura 11.

Daca nu ar exista stratul de ozon, intensitatea radiatiei ultraviolete, provenite de la Soare, ar fi mult prea puternica pentru numeroase forme de viata de pe Pamant. In acest context, este evidenta importanta monitorizarii atat a grosimii stratului de ozon, cat si a impactului pe care il au diversi factori naturali, sau artificiali, asupra acestei grosimi.

In partea stanga a imaginii din figura 11, sunt reprezentate in culorile rosu, galben si albastru, radiatiile provenite de la Soare, in spectrul luminii vizibile, iar cu violet a fost reprezentata radiatia ultravioleta, invizibila pentru ochiul uman. In partea dreapta a imaginii a fost reprezentata cu culoare rosie sub forma sagetilor ondulate, radiatiile infrarosii, de asemenea invizibile, percepute de om, sub forma de caldura. O parte din aceste radiatii infrarosii, ca si cele ultraviolete, sunt reflectate de atmosfera terestra, in timp ce Pamantul, care absoarbe aceasta radiatie, degaja si el radiatii in spectrul infrarosu.

In aceeasi perioada de inceput a anilor '80, s-a constatat de asemenea ca iarna si primavara, grosimea stratului de ozon este cu cca 20% mai redusa decat vara si toamna, ceea ce a determinat studierea atenta a fenomenului. Astfel s-a constatat ca sub actiunea radiatiilor ultraviolete avand intensitati diferite in anotimpuri diferite, moleculele de ozon (O3) se transforma in mod natural iarna si primavara in molecule de oxigen (O2), iar moleculele de oxigen (O2) se transforma in mod natural vara si toamna in molecule de ozon (O3). Acest fenomen natural explica pe de-o parte variatia grosimii stratului de ozon, dar pe de alta parte, in perioada efectuarii acestor masuratori, grosimea acestui strat, devenise mult mai subtire decat ar fi fost normal, in urma desfasurarii procesului natural descris anterior.

Astfel a aparut ipoteza ca subtierea stratului de ozon este posibil sa fie datorata actiunii unor substante produse de om. Din acest moment nu a mai fost decat un pas pana la includerea freonilor, pe lista substantelor nocive pentru stratul de ozon, deci poluante.

Poluarea produsa de freoni este un proces care se produce in stratosfera terestra si care este prezentat intr-o maniera schematica, in tabelul 4. Analizand mecanismul acestui proces se observa ca in ceea ce priveste freonii, principalul responsabil pentru actiunea distructiva asupra ozonului, este atomul de Cl, din moleculele CFC-urilor.

Sub actiunea razelor ultraviolete provenite de la soare, din moleculele freonilor se elibereaza Cl (clor monoatomic), deoarece din punct de vedere chimic, acesta prezinta o legatura foarte slaba (instabila) in cadrul moleculelor de CFC. Clorul monoatomic reactioneaza chimic cu ozonul (O3), care se gaseste in stratosfera si rezulta oxigen biatomic O2 si oxizi de clor. In acest mod, se distruge treptat stratul de ozon al planetei, avand un binecunoscut rol protector prin filtrarea radiatiilor ultraviolete, nocive pentru sanatatea umana. Problema este cu atat mai grava cu cat oxizii de clor rezultati din reactia descrisa, nu sunt nici acestia stabili si se descompun, eliberand din nou Cl. Se produc astfel reactii in lant, prin care un singur atom de Cl poate sa distruga un numar impresionant de molecule de O3

Asa se explica aparitia, deocamdata deasupra celor doi poli ai planetei a asa numitelor gauri in statul de ozon (zone in care perioade lungi din an ozonul lipseste complet). Fenomenul a fost posibil cu atat mai mult cu cat nu numai freonii, prin atomii de Cl, ci si alte substante chimice, in primul rand CO2, produc efecte asemanatoare.

In prezent exista in intreaga lume, numeroase instalatii de puteri frigorifice mici si mijlocii incarcate cu agenti frigorifici poluanti (in sensul pericolului pentru stratul de ozon), care pun in continuare probleme legate de posibila lor 'scapare' in atmosfera. Totodata se pune problema gasirii unor agenti de substitutie care sa fie utilizati in instalatiile frigorifice noi.

In urma dovedirii stiintifice a efectelor nocive asupra stratului de ozon, produse de freoni, comunitatea internationala a luat numeroase masuri de reducere pana la zero a utilizarii acestora. De exemplu, in SUA una dintre primele masuri luate, a fost interzicerea spray-urile de orice tip, care utilizeaza ca agent propulsor CFC-urile.

In 1987, Protocolul de la Montreal, revizuit in iunie 1990, de Reuniunea de la Londra, a inghetat pentru cativa ani utilizarea CFC-urilor inainte de interdictia definitiva a acestora. Ulterior, in 1992, Reuniunea sub egida ONU, desfasurata la Copenhaga, intarzierile programate la Londra, privind utilizarea CFC, au fost reduse.

Reglementarile internationale pentru CFC si HCFC, stipuleaza in prezent urmatoarele:

Pentru CFC:

- oprirea productiei incepand din 31.12.1994;

- interzicerea comercializarii si utilizarii, incepand din 1.01.1999, cu o derogare pentru mentinerea in functiune a instalatiilor existente, pana in 31.12.1999.

Pentru HCFC:

- productia este autorizata pana in 31.12.2014;

- utilizarea in echipamente noi este interzisa din 1.01.1996 in frigidere, congelatoare, aparate de conditionarea aerului de pe automobile particulare, transport public si rutier, iar din 1.01.1998 si pe trenuri;

- utilizarea este interzisa din 1.01.2000 in echipamente noi ale antrepozitelor frigorifice si incepand din 1.01.2001 in toate echipamentele frigorifice si de climatizare (cu unele exceptii);

- utilizarea va fi interzisa si pentru mentinerea in functiune a instalatiilor existente, incepand din 1.01.2008.

Agentii utilizati in instalatiile frigorifice, permit obtinerea unei plaje foarte largi de temperaturi, de la -20°C pana la -100°C, sau chiar mai scazute in anumite cazuri particulare. Evident, aceste temperaturi nu pot sa fie realizate cu un acelasi agent frigorific, pentru fiecare domeniu de temperaturi existand anumiti agenti frigorifici specifici recomandati.

Cu toate ca pe plan international au fost luate masuri drastice privind interzicerea utilizarii CFC-urilor, in lumea stiintifica exista si opinii conform carora, potentialul distructiv al acestor substante nu este nici pe departe atat de ridicat, pe cat s-a sustinut. Astfel au fost enuntate cateva motive care infirma prezumtiile anterioare, privind rolul CFC-urilor in distrugerea stratului de ozon, respectiv in cresterea nivelului radiatiilor ultraviolete:

- In natura exista numeroase alte surse generatoare de Cl. Astfel cca. 20% din clorul prezent in stratosfera provine din eruptiile vulcanice, care pot accelera semnificativ procesul de reducere a grosimii stratului de ozon;

- In timp ce grosimea stratului de ozon a fost in continua scadere, o lunga perioada de timp, emisiile de CFC au fost in continua crestere, deci se poate concluziona ca nu a existat o corelatie directa intre emisiile de CFC si problema ozonului;

- Cu toate ca se considera ca rolul ozonului este de a filtra radiatiile ultraviolete, nu este demonstrat clar ca nivelul radiatiilor ultraviolete a crescut considerabil, ca urmare a reducerii grosimii stratului de ozon.

Trecand peste aceste dispute de ordin teoretic, de altfel extrem de interesante, merita mentionat faptul ca desi atunci cand se vorbeste de freoni, acestia sunt asociati cu instalatiile frigorifice, totusi tehnica frigului artificial nu este nici pe departe cea care a emis cele mai ridicate cantitati de CFC-uri in atmosfera. Degajari mult mai semnificative de CFC, corespund urmatoarelor ramuri industriale:

- Industriei microelectronica - utilizeaza freoni la spalarea microcircuitelor electronice;

- Industria cosmetica - a utilizat freoni ca agent propulsor pentru substantele active din spray-uri.

In ambele situatii prezentate, CFC-urile au fost emise direct in atmosfera, in cantitati mari, in timp ce in cazul instalatiilor frigorifice, CFC-urile evolueaza in circuit inchis in sisteme etanse, neputand sa ajunga in atmosfera decat in cazuri de avarie. La ora actuala, inaintea  oricarei interventii tehnice, este obligatorie, recuperarea agentului frigorific din instalatii, fiind interzisa eliberarea acestuia in atmosfera.

Domenii de utilizare a agentilor frigorifici

Cele mai importante domenii de utilizare a freonilor si agentii de substitutie pentru freonii clasici, sunt prezentate in tabelul 5.

O mare parte dintre agentii frigorifici, in special cei de substitutie, reprezinta amestecuri ale unor alti freoni asa cum se observa in tabelul 6.