Agentii frigorificiAgenii de lucru ai mainilor frigorifice

Agenii frigorifici reprezint substane omogene sau amestecuri de substane, ale cror proprieti termodinamice trebuie s corespund cerinelor impuse de schema i tipul mainii frigorifice, precum i de nivelul de temperatur al celor dou surse de cldur.Clasificarea agenilor frigorifici i cerinele fa de ei

Agenii de lucru ai mainilor frigorifice se grupeaz n mai multe categorii. Agenii frigorifici, utilizai n mainile frigorifice cu comprimare mecanic de vapori au o temperatur de vaporizare la presiunea atmosferic normal. n funcie de aceast temperatur, denumit temperatur normal de vaporizare , se deosebesc trei categorii de ageni:- cu temperatur mai ridicat de vaporizare situat ntre 0 C i 60 C utilizai mai ales n pompele de cldur;- cu temperatur medie de vaporizare cuprins ntre 50 C i 0 C;- cu temperatur joas de vaporizare plasat ntre 120 C i 50 C.Aerul, precum i alte gaze sau amestecuri de gaze avnd temperaturi joase de vaporizare, se utilizeaz n mainile frigorifice cu comprimare de gaz, n cele turbionare, precum i n instalaiile de lichefiere i separare a gazelorSoluii ale diferitor substane se utilizeaz n mainile cu absorbie.Apa e utilizat n instalaiile cu jet de vapori. Condiiile care trebuie s le satisfac un agent frigorific utilizat n mainile cu comprimare de vapori sunt urmtoarele:- presiunea de vaporizare s fie superioar presiunii atmosferice, dar apropiat de aceasta n scopul evitrii infiltrrii aerului n vaporizator, care mpreun cu umezeala contribuie la intensificarea procesului de coroziune;- presiunea de condensare s fie redus cu scopul micorrii greutii compresorului, creterii randamentului mecanic al acestuia i evitrii pierderilor de agent;

- puterea frigorific specific s fie ct mai mare, ceea ce reprezint cldura preluat de de agent n procesul de realizare a efectului frigorific prin vaporizare sau nclzire;5.2. Proprietile agenilor de lucru a mainilor frigorifice cu comprimare mecanic de vapori

Proprietile fizice ale celor mai importani ageni frigorifici utilizai n mainile cu comprimare de vapori sunt prezentate n tab. 5.1.n continuare vom enumera unele caracteristici ale agenilor frigorifici utilizai n tehnica frigului moderat.

Amoniacul este utilizat pe scar larg n instalaiile frigorifice cu comprimare de vapori cu o treapt i cu dou trepte, precum i n cele cu absorbie pentru temperaturi de vaporizare 60 C; temperatura normal de vaporizare a amoniacului este de 33.35 C. Printre avantajele amoniacului se numr volumul specific mic la temperaturile de vaporizare uzuale, uurina depistrii scurgerilor de amoniac datorit mirosului specific, solubilitatea redus n ulei, nu exercit aciuni corozive oelului, dar n prezena apei atac zincul, cuprul, bronzul i alte aliaje pe baz de cupru cu excepia bronzului fosforos. Dintre dezavantaje se menioneaz faptul c este toxic, exploziv i inflamabil la concentraii de % amoniac n aer. La temperatura de -77.7 C amoniacul se solidific i la temperatura de 260 C se descompune n azot i hidrogen.

Bioxidul de carbon este utilizat n principal n instalaiile de producere a gheii uscate (zpad carbonic). Este neutru n raport cu metalele, neinflamabil, netoxic. Dezavantajul su const n aceea c temperatura critic este relativ ridicat () la presiunea critic . Din acest motiv conduce la presiuni ridicate n condensator.

Freonii sunt utilizai pe scar larg n tehnica frigului datorit avantajelor pe care le prezint i anume: nu sunt toxici, au inflamabilitate redus, sunt neexplozivi, prezint neutralitate chimic. De asemenea, fiind caracterizai prin exponeni adiabatici mici () freonii determin temperaturi de comprimare reduse. Ca definiie, freonii reprezint derivai dublu halogenai ai hidrocarburilor saturate () obinui prin nlocuirea parial sau complet a atomilor de hidrogen prin atomi de fluor, clor sau brom. n consecin deci, formula freonilor este unde .

Notaia prescurtat a freonilor este sau (refrigerent), fiind numrul freonului format din dou sau trei cifre care se stabilete dup urmtoarele reguli:

a) la derivaii fr atomi de hidrogen () prima cifr (dac este format din cifre) sau primele dou cifre (dac este format din cifre) definesc hidrocarbura n modul urmtor: - pentru metan (); - pentru etan (); - pentru propan (); - pentru butan (). n continuare se scrie numrul atomilor de fluor (); exemple: freonul - difluordiclormetan: ; freonul - tetrafluordicloretan: ;

b) la derivaii cu atomi de hidrogen () numrul acestor atomi se adaug n felul urmtor: la derivaii metanului la prima cifr, iar la ceilali derivai, la cifra a doua; exemple: freonul - monofluordiclormetan: , freonul - trifluoretan: ;

c) la derivaii cu atomi de brom (), dup numrul principal se pune litera dup care se scrie numrul atomilor de brom; exemplu: freonul : .Se remarc faptul c la reducerea numrului atomilor de hidrogen scade inflamabilitatea i pericolul de explozie. La creterea numrului de atomi de fluor scade toxicitatea i aciunea coroziv.

Dezavantajele freonilor constau n viscozitatea lor foarte redus care favorizeaz scurgerile precum i solubilitatea reciproc cu uleiul care se accentueaz la mrirea presiunii i reducerea temperaturii freonului. Tot n categoria dezavantajelor se ncadreaz i faptul c freonii au o densitate mai ridicat, ceea ce determin creterea rezistenelor hidraulice la circulaia lor prin conducte. Pentru limitarea acestor rezistene se procedeaz la mrirea seciunii de trecere prin conducte. Astfel, diametrul conductei de freon-12 se impune a fi de dou ori mai mare dect cel pentru n condiiile aceleai puteri frigorifice. De asemenea, se remarc faptul c freonii conduc la coeficieni de transfer de cldur sensibil mai mic n cazul amoniacului.

Freonii atac garniturile de cauciuc i se recomand utilizarea unor materiale rezistente la aciunea freonilor de tipul sevanitului sau a cauciucului freonorezistent. De regul, apa nu se dizolv n freoni. Pentru a evita blocarea seciunilor de trecere se limiteaz procentul masic de ap la %.n continuare, se prezint unele caracteristici ale celor mai utilizai freoni:a) cu temperatur normal de vaporizare nalt:

- freonul-, , este utilizat ca agent de lucru n instalaiile frigorifice cu turbocompresor avnd o putere frigorific peste n scopul condiionrii aerului, pentru rcirea apei precum i n instalaiile de pompe termice. Particularitatea const n puterea frigorific volumic redus ( la 15 C), presiuni de condensare i vaporizare coborte ( la 30 C i la15 C);

- freonul-, , este utilizat ca agent de lucru n instalaiile frigorifice pentru obinerea unor temperaturi moderate (0 C) n scopul condiionrii aerului, pentru rcirea apei;

- freonul-, , este recomandat ca agent de lucru n instalaiile de condiionare a aerului echipate cu turbocompresoare.b) cu temperatur normal de vaporizare medie:

- freonul-, , este utilizat n instalaiile frigorifice ntr-o treapt echipat cu compresoare cu piston la temperatur de condensare 75 C i temperatura de vaporizare C precum i la cele cu turbocompresoare pentru C;

- freonul-, , este utilizat n instalaiile frigorifice cu o treapt (pn la 40 C) i n cele n dou trepte (pn la 60 C) echipate cu compresoare cu piston i cu elice la temperatura de condensare C. Se remarc tendina de nlocuire a freonului- cu freon- n cazul instalaiilor frigorifice de puteri mari;

- freonul-, , este utilizat n instalaiile de pompe termice precum i n cele de condiionare a aerului avnd o temperatur ridicat de condensare (C) la o presiune relativ redus de condensare;

- freonul-, , are temperatura normal de vaporizare C, este utilizat n instalaiile frigorifice cu o treapt. Cu aerul formeaz amestecuri inflamabile;c) cu temperatur normal de vaporizare joas:

- freonul-, , este utilizat n instalaiile frigorifice cu mai multe trepte i n cele n cascad i permite obinerea unor temperaturi C;

- freonul-, , poate fi utilizat n instalaiile frigorifice n trepte sau n cascad pentru obinerea unor temperaturi de C.Agenii purttori de frig

n calitate de ageni purttori de frig la nivelul frigului moderat sunt utilizate saramurile, adic soluiile de clorur de sodiu () i clorur de calciu () n ap.

Temperatura de congelare a acestor soluii depinde de concentraia masic a srii n soluie. Pentru rezult c temperatura de congelare este de 0 C. La creterea concentraiei aceast temperatur scade pn la o anumit valoare critic a concentraiei, temperatura de congelare devine minim. n fig. 5.1 sunt artate legile de variaie a temperaturii de congelare n funcie de concentraia pentru cele dou soluii.

Punctul este punctul criohidric. n cazul soluiei de clorur de sodiu, temperatura minim de congelare n punctul criohidric este de la . n cazul soluiei de clorur de calciu aceast temperatur este de la .

Curba n figura 5.1 caracterizeaz schimbarea temperaturii de congelare a soluiilor sau temperaturii de topire a amestecului, curba este linia de solubilitate a srii n ap sau linia de degajare a cristalelor de sare.

Ca ageni purttori de frig pot fi utilizate lichidele antigel de tipul soluiei de etilenglicol i propilenglicol . De asemenea, se poate folosi n anumite condiii amoniacul (), freonul- (), freonul- ().

Fig. 5.1. Influiena concentraiei asupra tem-peraturii de congelare a soluiilor de () i ()

Contribuia clorfluorcarbonilor la distrugerea stratului de ozon

Unii ageni frigorifici, n special clorfluorcarburile (CFC), contribuie la distrugerea stratului de ozon. Stratul de ozon este o parte component vital a atmosferei. El protejeaz viaa oamenilor de efectele nocive ale radiaiei solare ultraviolete excesive. n consecin substanele chimice ce afecteaz stratul de ozon sunt supuse controlului. Majoritatea rilor din lume sau asociat cu scopul soluionrii acestei probleme. Ele au elaborat un tratat, numit Protocolul de la Montreal, pentru a stopa producerea substanelor chimice, inclusiv a agenilor frigorifici ce cauzeaz epuizarea stratului de ozon.

Ozonul () este un gaz din atmosfer compus din trei atomi de oxigen. El se formeaz atunci cnd razele solare ultraviolete cauzeaz descompunerea moleculelor de oxigen (). Atomii de oxigen () formai reacioneaz cu moleculele de oxigen pentru a forma ozonul. Ozonul este un gaz rarefiat situat la altitudinea de 15-60 km. Acolo el formeaz aa-numitul strat de ozon. n acest strat ozonul persist n cantiti foarte mici: concentraia sa maxim la nlimea de circa 2025 km este doar 10 pri la un milion.Ozonul este unic prin faptul c el absoarbe anumite tipuri de raze ultraviolete ce nu pot fi absorbite de alte gaze din atmosfer. Cu toate acestea, o anumit cantitate de radiaie ultraviolet este necesar pentru meninerea vieii, dar prea mult radiaie ultraviolet poate avea efecte nocive. Unele din aceste efecte sunt: creterea riscului de cancer al pielii; cretera riscului de dezvoltare a cataractei; efecte duntoare asupra sistemului imun uman; reducerea recoltei culturilor agricole; efecte nefavorabile asupra dezvoltrii fitoplanctonului, verig primar n lanul alimentar marin.Ageni frigorifici de substituire

Pn nu demult agenii frigorifici de baz, care se utilizau n instalaiile frigorifice bazate pe comprimarea vaporilor, erau cei distrugtori de ozon i anume R12, R22 i R502, n cazuri speciale se utiliza R114, R12B1, R13B1 i R503.n perspectiv, din toate aceste gaze refrigerante, doar R22 va fi permis, i oricum doar pentru o perioad limitat de timp, deoarece i acest agent frigorific conduce la epuizarea rezervelor de ozon, dei nensemnat.n urma acestor inovaii se ateapt schimbri enorme n industria refrigeratoare i de condiionare a aerului datorit iniierii unei programe vaste pentru cercetarea agenilor alternativi i a amestecurilor de ageni ce nu conin clor. Toate aceste cercetri au artat rezultate impuntoare cu perspective ncurjtoare. Uleiurile tradiionale de tip sintetic i mineral sau dovedit a fi insolubile n raport cu R134a, ceea ce nu permite deplasarea complet prin circuitul de refrigerare. Uleiul ce nu sa dizolvat se oprete n schimbtorul de cldur i va cauza supranclzire, ceea ce va duce la ncetarea funcionrii instalaiei. n urma unei serii de testri insistente au fost descoperii noi lubrifiani cu solubilitate potrivit, care deja sunt utilizai de civa ani. La baza lor st esterpoliolul i poliglicolul (fig. 5.4). Combinaia R134a i ulei pe baz de esteri absoarbe mai mult ap dect combinaia R12 i ulei mineral. Deci este necesar un filtru deshidrator special acesta trebuie s conin site moleculare recomandate pentru structura molecular a freonului R134a.n gama de refrigerare i de condiionare a aerului, de exemplu temperaturile de vaporizare ntre -15 C i +12 C, factorul de putere cu R134a este acelai sau mai bun dect cu R12. n instalaiile frigorifice de congelare, capacitatea frigorific relativ pentru R134a este cu 6 % mai mic la -18 C dect pentru R12. La temperaturi mari de vaporizare, de exemplu +10 C, capacitatea frigorific relativ pentru R134a este cu 6 % mai mare. Temperatura gazului cald este cu circa 8-10 K mai mic pentru R134a. R134a are o structur molecular diferit fa de cea a R12. Aceasta nseamn c R134a scap mai uor prin porii din instalaiile frigorifice. R134a nu este inflamabil sau toxic. La instalaiile ermetice mici, tubul capilar trebuie s fie cu 10-15 % mai lung dect la instalaiile cu R12. n plus, un anumit numr de componente frigorifice trebuie dimensionate dup R134a. Ventilele electromagnetice, ventilele unisens i regulatoarele de presiune trebuie s fie dimensionate pentru fluxul de mas schimbat i pentru cderea de presiune modificat.

2. Schemele i ciclurile mainilor frigorifice cu comprimare mecanic de vapori

Pentru obinerea unor temperaturi joase pn la se utilizeaz maini frigorifice cu vapori, care pot fi: cu comprimare ntr-o singur treapt; cu comprimare n dou trepte; cu comprimare n trei trepte; n cascad.

Mainile frigorifice cu comprimare ntr-o singur treapt sunt utilizate pentru obinerea temperaturilor joase pn la . Cu scopul obinerii unor temperaturi mai joase cu ajutorul mainii cu comprimare ntr-o singur treapt se recurge la perfecionarea ciclului prin subrcire avansat a agentului nainte de laminare, introducerea schimbului de cldur regenerativ, utilizarea unor ageni frigorifici cu caracteristici superioare.

Scderea continu a temperaturii de vaporizare impune trecerea la comprimarea n dou trepte, sub maina n dou trepte devine neeconom, astfel nct este necesar trecerea la comprimarea n trei trepte sau n cascad.Superioritatea mainilor frigorifice cu vapori const n aceea c agenii de lucru evolueaz n domeniul vaporilor umezi, ceea ce permite realizarea proceselor izotermice prin vaporizare la preluarea cldurii de la sursa rece i la condensarea la evacuarea cldurii ctre mediul ambiant. n acest mod devine posibil reducerea pierderilor datorit ireversibilitii transferului de cldur ntre agent i cele dou surse de cldur prin meninerea diferenelor de temperatur n limitele acceptabile.. Schema i ciclul ideal al mainii frigorifice cu comprimare de vapori (MFV) cu o treapt

n fig. 6.1 sunt artate schema principial () i ciclul ideal al MFV reprezentat n diagrama ().

Maina const din patru elemente principale: compresorul , condensatorul , detentorul i vaporizatorul . Procesele din care e compus ciclul sunt urmtoarele:

Fig. 6.1. Schema () i ciclul () al MFV

- comprimare adiabat (izentropic) a vaporilor umezi n compresorul care determin creterea presiunii i a temperaturii de la valorile corespunztoare vaporizrii , pn la cele de condensare , . Poziia punctului se alege astfel ca la sfritul procesului de comprimare n compresor s se obin vapori uscai saturai;

- condensarea izobar-izoterm n condensatorul care are loc la presiunea i temperatura , ntruct transferul cldurii ctre mediul ambiant are loc la diferene infinit de mici de temperatur rezult c (temperatura mediu-lui ambiant);

- destinderea adiabat (izentropic) n detentorul care determin scderea presiunii i temperaturii lichidului obinut n condensator de la , pn la , ;

- vaporizarea izobar-izoterm n vaporizatorul care are loc la presiunea i temperatura , transferul de cldur de la sursa rece ctre agent avnd loc la diferene infinit de mici de temperatur rezult c (temperatura la care se obine frigul).ntruct toate procesele care compun ciclul sunt reversibile, atunci n acest caz agentul de lucru va svri n maina frigorific un ciclu Carnot inversat.

Schimburile energetice ale unui de agent cu exteriorul la parcurgerea ciclului se determin apelnd la ecuaiile celor dou principii ale termodinamicii , rezult:

- lucrul mecanic tehnic specific de comprimare n procesul (, , )

.

Acest lucru n diagrama corespunde ariei ;

- sarcina termic specific la condensare n procesul (, , )

.

Sarcina termic specific la condensare n diagrama corespunde ariei ;

- lucrul mecanic tehnic specific de destindere n procesul (, , )

.

Acest lucru n diagrama e echivalent cu aria ;

- puterea frigorific specific la vaporizare n procesul (, , )

.

n diagrama corespunde ariei .Lucrul mecanic (minim) al ciclului se determin pe baza bilanului energetic:

,

i n diagrama corespunde ariei .

Astfel pentru svrirea ciclului inversat i transportarea cldurii de la sursa cu temperatur joas ctre mediul ambiant este necesar s consumm un lucru egal cu .

Eficiena frigorific a ciclului Carnot :

.(6.1)

Aceast relaie demonstreaz c creterea temperaturii de condensare i reducerea temperaturii de vaporizare determin micorarea eficienei frigorifice (coeficientului frigorific) a ciclului Carnot inversat i creterea consumului specific de energie necesar pentru obinerea frigului.

Schema principial a acestei maini i ciclul ei n diagramele i sunt artate n fig. 6.2.n realitate ciclul ideal Carnot nu poate fi realizat practic din urmtoarele motive:

- procesul de comprimare trebuie deplasat n domeniul vaporilor saturai uscai sau supranclzii pentru a evita pericolul loviturii hidraulice i n scopul mbuntirii umplerii cu vapori a cilindrului; lovitura hidraulic are loc cnd agentul de lucru lichid nimerete ntre piston i capacul cilindrului, ce conduce la o avarie grav. Aceast necesit vaporizarea complet a agentului n vaporizator i alimentarea compresorului cu vapori saturai uscai;

- procesul de destindere trebuie nlocuit printr-un proces de laminare ntruct lucrul mecanic care s-ar putea obine n detentor are valori reduse n comparaie cu lucrul mecanic al compresorului, din punct de vedere constructiv aceasta necesit nlocuirea detentorului printr-un ventil de laminare ce conduce la o simplificare a schemei MFV i reducerea cheltuielilor la confecionarea mainii frigorifice, n afar de aceasta nlocuirea detentorului printr-un ventil de laminare conduce la apariia pierderilor ireversibile legate cu procesul de laminare.Procesele funcionale sunt urmtoarele:

- comprimare izentropic n compresorul de la i pn la i ; datorit deplasrii procesului de comprimare din domeniul umed n cel supranclzit temperatura de refulare a vaporilor este superioar temperaturii de condensare considerat egal cu cea a mediului ambiant .Lucrul mecanic specific de comprimare este dat de:

,(6.2)

- procesul const din dou pri: rcirea izobar i condensarea n condensatorul ; sarcina termic la rcire i condensare este dat de:

.(6.3)

Aceast sarcin termic specific n diagrama e echivalent cu aria i n diagrama cu segmentul .

- procesul de laminare n ventilul de laminare determin scderea presiunii i temperaturii de la , pn la , . n condiii adiabate acest proces este izentalpic ();

Fig. 6.2. Schema () i ciclul teoretic al MFV reprezentat n diagramele () i ()

- vaporizarea izobar-izotermic n vaporizatorul este nsoit de realizarea efectului frigorific dat de:

.(6.4)

Puterea frigorific specific corespunde n diagrama ariei i n diagrama segmentului .Pe baza bilanului energetic al ciclului se poate determina lucrul mecanic specific al ciclului:

,(6.5)

ceea ce corespunde n diagrama ariei i n diagrama segmentului .Eficiena frigorific a ciclului cu laminare i supranclzire este dat de:

.

Deplasarea comprimrii n domeniul vaporilor supranclzii i efectuarea destinderii prin laminare determin reducerea eficienei frigorifice a ciclului teoretic cu laminare n raport cu cea a ciclului ideal inversat Carnot. Totodat puterea frigorific specific se micoreaz cu valoarea echivalent cu aria n diagrama i n diagrama cu segmentul , iar lucrul mecanic specific al ciclului crete.Raportul celor doi coeficieni reprezint gradul de reversibilitate al ciclului teoretic fa de cel ideal:

.

Faptul c conduce la concluzia c procesele din care e compus ciclul prezint abateri n raport cu cele ideale, reversibile.

Pentru ca s determinm pierderile ireversibile trebuie s construim ciclul model (ciclul cu lucru minim) pentru ciclul . n ciclul model puterea frigorific specific este egal cu cea a ciclului teoretic, temperatura de condensare i de vaporizare sunt egale respectiv cu cele a mediului ambiant i a sursei reci .

n acest caz ciclul va fi ciclul model (ciclul cu lucru minim) pentru ciclul . Aria va fi echivalent creterii lucrului ciclului din cauza ireversibilitii n procesul de rcire a vaporilor supranclzii (procesul ), datorit diferenei finite scztoare de temperatur care caracterizeaz transferul cldurii de la agent ctre mediul ambiant.

Pentru a determina aceste pierderi ireversibile plasm punctul astfel ca aria (echivalent cantitii de cldur care o primete mediul ambiant).

Atunci aria aria , adic aria este aria echivalent mririi lucrului

.(6.6)

Pierderile determinate de ireversibilitatea intern a procesului de laminare corespund n diagrama ariei , fiindc valoarea lucrului mecanic pierdut n rezultatul nlocuirii procesului de destindere printr-un proces de laminare sunt echivalente cu aria i egale cu aria . Fiindc n procesul de laminare valoarea entalpiei atunci .

.(6.7)Astfel lucrul mecanic specific al ciclului:

,(6.8)

Se constat deci c lucrul mecanic consumat de agent la parcurgerea ciclului se regsete parial n consumul minim de energie necesar pentru realizarea efectului frigorific , restul servind pentru acoperirea pierderilor cauzate de ireversibilitatea extern i intern al ciclului. n aceste condiii, gradul de reversibilitate al ciclului teoretic fa de cel ideal:

.(6.9)E evident c existena pierderilor externe i interne determin majorarea consumului specific de energie al ciclului n raport cu ciclul model Carnot.31. Introducere

1.1. Obiectul cursului

n cadrul cursului Maini frigorifice se studiaz capitole ale tehnicii frigorifice, care se refer la baze termodinamice ale rcirii artificiale, construcia, principiul de aciune i calculul compresorului frigorific i al aparatelor de schimb de cldur. Conform principiului al doilea a termodinamicii, trecerea cldurii, n mod natural, fr consum de energie din exterior, are loc numai de la corpurile cu temperatur mai ridicat la cele cu temperatur mai sczut. Trecerea cldurii n sens invers se poate realiza numai pe baza unui consum de energie din exterior sub diferite forme: mecanic, termic, electric, chimic etc. Mainile i instalaiile n care se realizeaz asemenea procese poart denumirea de transformatoare de cldur. Funcionarea acestora are loc ntr-un interval de temperaturi definit de temperaturile celor dou izvoare sau surse de cldur. Poziia acestui interval de temperaturi n raport cu temperatura mediului ambiant joac un rol important n clasificarea transformatoarelor de cldur. n cazul cnd temperatura sursei reci este inferioar temperaturii mediului ambiant care joac rolul rezervorului cald procesul este frigorific i transformatorul de cldur care permite realizarea acestui proces reprezint o main frigorific. Dac sursa rece este mediul ambiant, iar receptorul termic cald are o temperatur mai nalt, procesul este caloric i transformatorul de cldur reprezint o main calorific sau pomp de cldur. n cazul cnd sursa rece are temperatura mai joas dect temperatura mediului ambiant, iar rezervorul cald are potenial mai nalt, procesul este combinat i transformatorul de cldur n care se desfoar acest proces se numete instalaie combinat, frigorifico-caloric.Pn n secolul trecut singura modalitate de efectuare a proceselor de rcire a corpurilor la temperaturi sub cea a mediului ambiant consta n utilizarea gheii i a unor amestecuri frigorifice obinute pe baza gheii i a srii.

Elaborarea i utilizarea primelor maini frigorifice a avut loc n secolul XIX. n 1810 inginerul englez Lesli a construit primul generator de ghea. n 1834 medicul englez Perkins a construit maina frigorific cu comprimare cu utilizarea eterului etilic (). n 1845 Gorri a inventat maina frigorific de aer cu utilizarea aparatului special a dispozitivului de dilatare. n 1872-1874 Boili i Linde au construit maina frigorific care e prototipul mainii frigorifice contemporane.

1.2. Domeniile de utilizare a frigului artificial

Frigul artificial joac un rol important n dezvoltarea numeroaselor ramuri ale economiei, n apariia unor ramuri ale tehnicii precum i n mbuntirea condiiilor de trai ale populaiei. Se remarc , n special, utilizarea frigului n:- industria alimentar pentru conservarea i transportarea produselor alimentare uor alterabile, n vinificaie, fabricarea berii, ngheatei, produselor de cofetrie etc.;- construcia de maini pentru obinerea oxigenului i gazelor inerte necesare pentru tierea i sudarea metalelor, precum i pentru prelucrarea oelurilor la temperaturi joase, ceea ce permite mrirea duritii i a rezistenei. Micorarea plasticitii i creterea duritii la temperaturi joase permite mrirea eficacitii prelucrrii mecanice a multor materiale. Trebuie de remarcat i faptul c utilizarea frigului n tratamentul termic al metalelor permite stabilizarea dimensiunilor pieselor de precizie i obinerea structurii necesare;- metalurgie pentru intensificarea proceselor de topire a oelului, elaborarea fontei, feroaliajelor i a metalelor neferoase prin mbogirea aerului insuflat cu oxigen;- industria chimic pentru separarea amestecurilor de gaze i n particular, a aerului cu obinerea oxigenului, azotului i a gazelor inerte. De asemenea, frigul este utilizat pentru condensarea vaporilor, uscarea gazelor, separarea soluiilor complexe, cristalizarea srurilor, reglarea sensului i vitezei reaciilor chimice, precum i n scopul extragerii deiterului din hidrogen tehnic, utilizat i n fabricarea fibrelor sintetice, a materialelor plastice precum i a cauciucului sintetic;- industria farmaceutic pentru producerea medicamentelor pe baz de penicilin, streptomicin, eter etc.;- industria minelor i de construcii pentru congelarea solurilor i consolidarea minelor;- medicin pentru rcirea local n scop de anestezie n interveniile chirurgicale (criochirurgie) precum i pentru pstrarea unor organe n scop de transplantare;- industria transporturilor feroviare, rutiere i maritime pentru transportarea produselor alimentare, a gazelor lichefiate i a petelui;- energetic pentru crearea diferitelor dispozitive bazate pe superconductibilitate, transformatoare i generatoare de putere mare, linii de transport a energiei electrice;- aviaie i cosmonautic pentru alimentarea cu oxigen a oamenilor la altitudine i n spaiul cosmic, pentru condiionarea aerului i pentru rcirea aparaturii electronice;- sport pentru realizarea patinoarelor artificiale;- gospodrie pentru pstrarea i tratamentul termic al produselor alimentare.

1.3. Clasificarea mainilor frigorifice

Mainile frigorifice se pot clasifica dup: tipul de energie consumat, n funcie de proprietile i starea de agregare ale agenilor de lucru, tipul ciclului.Dup tipul de energie consumat se pot deosebi maini cu comprimare, maini cu consum de cldur, maini termoelectrice precum i maini cu jet.Ca surs de energie la mainile cu comprimare se utilizeaz energia electric sau mecanic. La mainile cu consum de cldur se refer mainile cu sorbie, care se clasific la rndul lor n maini cu absorbie i adsorbie. Principiul de lucru al mainilor cu sorbie este axat pe realizarea succesiv a reaciilor termochimice de sorbie a agentului de lucru de ctre un sorbant, dup care urmeaz desorbia agentului din sorbant. Procesele de sorbie i desorbie joac n aceste maini rolul proceselor de aspiraie (destindere) i refulare (comprimare) executate de compresorul mecanic. n mainile cu adsorbie procesul de sorbie are loc la suprafaa adsorbantului care se afl, de regul, n stare solid.Mainile termoelectrice care au la baz efectul Peltier, permit obinerea frigului prin utilizarea direct a energiei electrice. La trecerea curentului electric printr-un ansamblu format din dou materiale diferite se constat apariia unei deferene de temperatur la cele dou suduri ale sistemului.n funcie de proprietile i starea de agregare a agenilor de lucru, mainile frigorifice se mpart n maini frigorifice cu vapori i cu gaze. Spre deosebire de mainile frigorifice cu gaze la care starea de agregare a agentului nu se modific, la cele cu vapori este necesar condensarea vaporilor comprimai i vaporizarea agentului destins.Dup tipul ciclului mainile frigorifice se grupeaz n:- maini care acioneaz pe baza unui ciclu nchis. n aceste maini agentul de lucru trece prin diferite elemente componente ale unui contur nchis, proces n care temperatura variaz ntre limitele impuse de cele dou surse de cldur. n aceast categorie se ncadreaz mainile cu comprimare mecanic de vapori, mainile cu absorbie, unele maini cu comprimare mecanic de gaze precum i mainile cu ejector;- maini ce funcioneaz pe baza unui proces deschis. Ele sunt caracterizate prin aceea c n timpul funcionrii agentul este total sau parial extras din main. n locul agentului evacuat este introdus o nou cantitate de agent.3.Calculul consumului de frig Q1.2.3.4.5Calculul fluxurilor de cldur n camera frigorific i determinarea sarcinii termice asupra utilajului din camer i mainii frigorificeLa determinarea sarcinii asupra utilajului din camera frigorific i asupra mainii frigorifice sunt luate n consideraie urmtoarele fluxuri de cldur:Q1 prin pereii camerei din mediul ambiant;Q2 de la tratarea termic a produselor;Q3 de la ventilarea camerei;Q4 de la diferite surse la exploatarea camerei;Q5 de la respiraia fructelor i legumelor.Modul de calcul a acestor fluxuri este descris mai jos.7.1. Fluxul de cldur prin pereii ncperii din mediul ambiant Q1, W Q1=Q1T+Q1Sunde: Q1T fluxul de cldur din cauza diferenei de temperaturi de ambele pri ale peretelui;Q1S fluxul de cldur din cauza absorbirii cldurii radiaiei solare de ctre suprafaa exterioar a pereilor.La rndul su:Q1T=kFt= kF(tex-tcam) i Q1S=kFtS,

unde: k coeficientul de transfer de cldur prin peretele dat a camerei, W/(m2K);F suprafaa peretelui dat a camerei, m2;tex temperatura de calcul a aerului exterior, oC;tcam temperatura aerului din camer, oC;tS surplusul de diferen de temperatur cauzat de radiaia solar, oC.Temperatura de calcul a aerului exterior i temperatura medie anual este dat n sarcina pentru proiectare. n cazul fluxurilor de frig prin pereii ce despart camera frigorific de ncperile nercite, pentru determinarea diferenei de temperaturi t, se utilizeaz urmtoarele relaii:a) dac ncperea nercit are ieire direct n afara cldirii:t=0,7(tex-tcam),b) dac ncperea nercit nu are ieire direct n afara cldirii:t=0,6(tex-tcam),La determinarea consumului de frig prin podeaua nclzit se accept temperatura medie a stratului cu dispozitiv de nclzire egal cu 1...3 oC.Pentru determinarea consumului de frig prin podeaua nenclzit ea se mparte n zone (vezi fig. 2) i consumul se calcul cu formula:

,unde: m coeficient ce ia n consideraie influena termoizolaiei podelei.

,i grosimea stratului i a podelei, m;i coeficientul de conductivitate termic a stratului i a podelei, W/(mK);kconv.i coeficientul convenional de transfer de cldur pentru zona i a podelei, W/(m2K);Tabelul 1Fi suprafaa zonei i a podelei (vezi fig.2), m2;

Surplusul de diferen de temperaturi cauzat de radiaia solar pentru acoperiurile fr pod ts=17,7 oC dac acoperiul este vopsit n culoare nchis i ts=14,9 oC dac acoperiul e de culoare deschis. Pentru acoperiurile cu pod, surplusul de diferen de temperatur cauzat de radiaia solar se determin din tab.2., iar pentru pereii exteriori din tab.3.Se recomand perfectarea calculului fluxurilor de cldur prin pereii ncperii Q1 n form de tabel.Tabelul 2Surplusul de diferen de temperatur cauzat de radiaia solar pentru acoperiurile cu podLatitudinea geografic40o50o60o

ts, oC15105

Tabelul 3Surplusul de diferen de temperatur cauzat de radiaia solar pentru pereii exterioriFluxul de cldur Q2 de la tratarea termic, W:Fluxul de cldur de la tratarea termic se determin din formula:,unde: Q2pr consumul de frig pentru tratarea termic a produselor, W;Q2am consumul de frig pentru rcirea ambalajului, W;Fluxul de cldur de la tratarea termic a produselor Q2pr (W) se determin din formula:

unde: Gpr cantitatea de produse primite timp de o zi, t/d;i1,i2 entalpia produsului respectiv nainte i dup tratarea termic (vezi anexa 6), kJ/kg.Dac produsul este tratat termic n ambalaj sau se afl n containere, trebuie s lum n consideraie i consumul de frig pentru rcirea ambalajului (containerelor) Q2am,W:

,unde: Gam masa ambalajului primit in 24 ore;cam capacitatea termic specific a ambalajului, kJ/(kgK);tam diferena dintre temperaturile ambalajului pn i dup tratarea termic, oC.Masa ambalajului i capacitatea lui termic specific se accept n corespundere cu Anexa 7.7.3. Fluxul de cldur Q3 de la ventilarea ncperii, W:Q3=Vconstracam(iex-icam)/86,4,unde: Vconstr volumul constructiv al ncperii ventilate, m3;a multiplicitatea schimbrii aerului din ncpere timp de 24 ore, se accept a=34 d-1;cam densitatea aerului din camera frigorific, la temperatura de 0oCcam=1,293kg/m3; la minus 10oC cam=1,342kg/m3; la minus 20oC cam=1,396kg/m3; la minus 30oC cam=1,453kg/m3;iex, icam entalpia aerului, respectiv exterior i din camer, kJ/kg; se determin din Anexa 8, reieind din condiia c umiditatea relativ a aerului din camer se afl n limitele 8595%, iar temperatura i umiditatea relativ a aerului exterior i temperatura din camer sunt date n sarcin.Acest flux de cldur are loc doar n camerele frigorifice destinate pentru pstrarea produselor vegetale n stare refrigerat.7.4. Fluxul de cldur Q4 de la diferite surse la exploatarea camereia) de la iluminarea electric , W:

,unde: Nsi puterea surselor de iluminare, W;

norma de iluminare, W/m2;F suprafaa ncperii, m2;b) de la motoarele electrice (dac motoarele electrice se afl n ncpere) , W:

;unde: Nm.e. puterea motoarelor electrice, W. Petru condiiile proiectului se recomand Nm.e.=24 kW.c) de la oamenii ce lucreaz n ncpere , W:

,unde n numrul de oamenii ce lucreaz n ncpere (se recomand n=2).a) prin uile camerelor , W:

,

unde: fluxul specific de cldur prim ui, raportat la 1 m2 al camerei, W/m2 (vezi tab.4);F suprafaa camerei, m2.Tabelul 4Fluxul specific de cldur prim ui, raportat la 1 m2 al camerei, W/m2Destinaia camereiSuprafaa camerei F, m2

F 50 m250 m2 F 150 m2F 150 m2

Camere de pstrare a produselor refrigerate17,59,37,0

Camere de pstrare a produselor congelate13,07,04,5

Not. Valorile fluxului sunt date pentru camerele cu nlimea de 3,6 m. Pentru camerele cu alt nlime valoarea lui trebuie modificat proporional cu nlimea lor.

7.5. Fluxul de cldur de la respiraia fructelor i legumelor Q5, W

,

unde: cldura specific de respiraie, respectiv, la refrigerare i pstrare(vezi tab.5), W/kg;Tabelul 5Cldura emanat la respiraia fructelor i legumelor

masa produselor primite pentru refrigerare i masa produselor pstrate, kg.Determinarea sarcinii asupra utilajului din camera frigorific i asupra compresoruluiSarcina sumar asupra utilajului din camera frigorific o determinm din formula:

Sarcina sumar asupra compresorului mainii frigorifice o determinm din formula:

Cunoscnd sarcina asupra compresorului determinm puterea frigorific necesar a compresoarelor seciei de maini din formula:

,unde: Qo puterea frigorific necesar a compresoarelor din secia de maini, W;Qo cm sarcina compresorului din calculul fluxurilor de cldur, W; coeficientul de pierderi la transportarea frigului, pentru sistemul cu rcire direct = 1,051,07;b coeficientul timpului de lucru, b=0,750,9.Determinarea regimului de lucru al instalaiei frigorifice Temperatura de vaporizare to se determin din relaia:to=tcam(510) oC,unde tcam temperatura aerului din camera frigorific, oC.Temperatura de condensare tcd pentru condensatoarele rcite cu aer se determin din relaia:tcd=ta2+(812) oC,unde: ta2 temperatura aerului la ieire din condensator ta2=ta1+ta;ta1 temperatura aerului la intrare n condensator, se accept egal cu temperatura de calcul a aerului pentru var n localitatea dat;ta=(46) oC nclzirea aerului n condensator.Temperatura de aspiraie pentru main frigorific care lucreaz pe freoni:

Temperatura agentului frigorific la intrarea n ventilul de laminare se determin din bilanul termic al schimbtorului de cldur regenerativ (fig. 3):

de unde:

Fig. 3. Construirea ciclului mainii frigorifice cu o treapt n diagrama ln P-iCunoscnd entalpia i4 determinm temperatura agentului lichid la intrarea n ventilul de laminare.Dac n main frigorific nu se utilizeaz schimbtorul de cldur regenerativ, temperatura agentului frigorific la intrarea n ventilul de laminare se determin din relaia:

Dup selectarea regimului de lucru, n diagrama ln P-i pentru agentul respectiv se construiete ciclul mainii frigorifice, iar coordonatele punctelor de reper se introduc n tabel (vezi tab. 6).

4. Calculul termic al mainii frigorifice cu o treapt i selectarea compresoarelor (mainii frigorifice)n calcul determinm urmtorii parametri:1) Puterea frigorifica specifica masic, kJ/kg:qo=i6-i5.2) Lucrul mecanic specific de comprimare, kJ/kg:l=i2-i1.3) Puterea frigorific specific volumic, kJ/m3:qv=qo/v1.4) Sarcina termic specific a condensatorului, kJ/kg,- n cazul utilizrii schimbtorului de cldur:qc=i2-i3,- dac schimbtorul de cldur nu e folosit:qc=i2-i4.5) Debitul masic de agent frigorific, kg/s:M=Qo/qo,unde: Qo puterea frigorific a compresorului, kW.6) Debitul volumic de agent aspirat n compresor, m/s:V=Mv1.7) Volumul cursei pistonului, m3/s:Vh=V/,unde - coeficientul de debit. Valoarea lui poate fi determinat din fig. 4, cunoscnd raportul presiunilor de condensare i vaporizare Pc/Po.

Fig. 4. Valoarea coeficientului de debit n funcie de raportul presiunilor Pc/Po

8) Calculul puterii frigorifice a compresorului pentru condiiile regimului standard, Qo st:

unde: Qo luc puterea frigorific a compresorului pentru condiiile de lucru;luc coeficientul de debit pentru condiiile de lucru;qvluc puterea frigorific specific volumic a compresorului pentru condiiile de lucru;st coeficientul de debit pentru condiiile standard;qvst puterea frigorific specific volumic a compresorului pentru condiiile standard;Condiiile standard sunt: to = -15 oC; tc = +30 oC.9) Cunoscnd volumul cursei pistonului i puterea frigorific necesar a compresorului n regimurile de lucru i standard, selectm din cataloagele firmelor productoare mainile frigorifice respective.