UNIVERSITATEA POLITEHNICA TIMISOARA

FACULTATEA DE CONSTRUCTII

SECTIA : INSTALATII PENTRU CONSTRUCTII

DISCIPLINA: TERMOTEHNICA

REFERAT

Student: Coordonator : Asist. Drd. Ing. Daia Decebal Marius Ostafe Gabriel An II Grupa 312 CAP.I. FREONII

Freonii sunt compuşi chimici utilizaţi în instalaţii frigorifice sau pompe de căldură, ce suferă reversibil schimbări de fază de la gaz la lichid, transportând astfel căldură de la un mediu la altul. Transferul de căldură se face prin vaporizare (trecerea din stare lichidă în stare gazoasă preluând temperatura înaltă) şi cedarea acesteia prin condensare (trecerea din stare gazoasă în stare lichidă prin scăderea temperaturii, cedarea acesteia în alt mediu) la temperaturi scăzute sau ale mediului ambiant.

Freonul este numele comercial pentru fluidul inodor, incolor, neinflamabil, şi necorosiv chlorofluorocarbon şi hydrochlorofluorocarbon agenţi frigorifici, care sunt utilizaţi în aer condiţionat, instalaţii frigotehnici, şi unele sisteme de stingere a incendiilor. Freonii reprezintă derivaţi dublu halogenaţi ai hidrocarburilor saturate (C H ), obţinuţi prin înlocuirea parţială sau completă a atomilor de hidrogen prin atomi de fluor sau brom. Formula generală a freonilor este C H F Cl Br , unde x+y+z+u = 2n+2.

Pentru a permite funcţionarea ciclică a instalaţiilor frigorifice şi a pompelor de căldură, agenţii termodinamici de lucru din acestea, preiau căldură prin vaporizare şi cedează căldură prin condensare, la temperaturi scăzute sau apropiate de ale mediului ambiant, deci trebuie să fie caracterizate de unele proprietăţi particulare, care îi deosebesc de agenţii termodinamici din alte tipuri de instalaţii. Acesta este motivul pentru care agenţii de lucru din instalaţiile frigorifice şi pompele de căldură, poartă denumirea de agenţi frigorifici.

1.1 Proprietăţi ale agenţilor frigorifici:

Proprietăţile agenţilor frigorifici sunt impuse de schema şi tipul instalaţiei, precum şi de nivelurile de temperatură ale celor două surse de căldură. Câteva dintre aceste proprietăţi sunt următoarele: - presiunea de vaporizare trebuie să fie apropiată de presiunea atmosferică şi uşor superioară acesteia, pentru a nu apare vidul în instalaţie;

- presiunea de condensare trebuie să fie cât mai redusă, pentru a nu apare pierderi de agent frigorific şi pentru a se realiza consumuri energetice mici în procesele de comprimare impuse de funcţionarea acestor instalaţii; - căldura preluată de un kilogram de agent, prin vaporizare, trebuie să fie cât mai mare, pentru a se asigura debite masice reduse; - căldura specifică în stare lichidă trebuie să fie cât mai mică, pentru a nu apare pierderi mari prin ireversibilităţi interne, în procesele de laminare adiabatică; - volumul specific al vaporilor trebuie să fie cât mai redus, pentru a se obţine dimensiuni de gabarit reduse, ale compresoarelor; - să nu prezinte pericol de inflamabilitate, explozie şi toxicitate; - să nu fie poluanţi (este cunoscut faptul că unii agenţi frigorifici clasici şi anume câteva tipuri de freoni, contribuie la distrugerea stratului de ozon al stratosferei terestre); - să prezinte o contribuţie cât mai scăzută la încălzirea globală (este conoscut că o serie de substanţe utilizate în tehnică odată ajunse în atmosferă, contribuie la încălzirea globală a planetei, fenomen denumit şi efect de seră). Pentru a nu se utiliza denumirile chimice complicate ale acestor substanţe, agenţii frigorifici au fost denumiţi freoni, sunt simbolizaţi prin majuscula R, (de la denumirea în limba engleză - Refrigerant) şi li s-a asociat un număr determinat în funcţie de compoziţia chimică. Unii dintre cei mai cunoscuţi agenţi frigorifici sunt prezentaţi în tabelul 1, împreună cu temperatura normală de vaporizare şi indicele transformării adiabatice.

Proprietăţile termodinamice dorite la un agent frigorific sunt: punct de fierbere sub temperatură ţintă, presiune de vaporizare cît mai apropiată de presiunea atmosferică, presiunea de condensare cît mai redusă pentru a realiza consumuri energetice mici, căldura preluată prin vaporizare trebuie să fie cît mai mare pentru a asigura debite masice reduse, căldura specifică în stare lichidă să fie cît mai mică pentru a nu apare pierderi mari prin procesul de laminare adiabată. Alte proprietăţi ce trebuie să le prezinte un agent frigorific sunt: să nu fie coroziv, să nu fie poluant, să nu prezinte pericol de inflamabilitate, explozie şi toxicitate, să aibă o coontribuţie nulă la încălzirea globală.

1.2 Istoricul agentilor frigorifici:

Istoricul agenţilor frigorifici începe în anul 1834, când americanul Jacob Perkins brevetează o maşină frigorifică funcţionând prin comprimare mecanică de vapori, utilizând ca agent frigorific oxidul de etil. Utilizarea unei asemenea maşini s-a dovedit rapid limitată de nivelul ridicat de inflamabilitate al acestui agent.

2

În 1876 Carl von Linde, datorită utilizării amoniacului ca agent frigorific, permite adevărata dezvoltare a instalaţiilor frigorifice prin comprimare mecanică de vapori. În 1880, introducerea unui nou agent frigorific, anhidrida carbonică, reprezintă începutul utilizării instalaţiilor frigorifice pentru îmbarcarea la bordul navelor a produselor alimentare. În 1920, prin utilizarea anhidridei sulfuroase şi a clorurii de metil, apar primele maşini frigorifice de uz casnic sau comercial.

Începând din 1930, apar primele hidrocarburi fluorurate şi clorurate (CFC). Datorită caracteristicilor foarte interesante din punct de vedere termodinamic şi datorită marii lor stabilităţi atât termice cât şi chimice, utilizarea acestora va aduce o ameliorare considerabilă atât a fiabilităţii cât şi a siguranţei în funcţionare a instalaţiilor frigorifice cu compresie mecanică. Aşa se explică de ce în comparaţie cu amoniacul şi clorura de metil, aceste substanţe poartă denumirea de agenţi frigorifici de

siguranţă. În numeroase ţări, pe lângă denumirea de freoni, agenţii frigorifici pot fi

întâlniţi şi sub diverse denumiri comerciale, care pentru acelaşi produs diferă de la ţară la ţarăşi de la un producător la altul. R12 de exemplu, este numit Forane 12 (denumirea comercială a Uzinei Kuhlmann din Franţa), Flugene 12 (denumirea comercială a firmei Pechine Saint-Gobain din Franţa), sau Genetron 12 (denumirea comercială a societăţii Allied Chemical din S.U.A.). În unele publicaţii ştiinţifice, chiar şi denumirea de freoni, pentru desemnarea agenţilor frigorifici, este considerată comercială.

În 1876 Carl von Linde, datorită utilizării amoniacului că agent frigorific, permite adevărată dezvoltare a instalaţiilor frigorifice prin comprimare mecanică de vapori.

În 1880, introducerea unui nou agent frigorific, anhidridă carbonica, reprezintă începutul utilizării instalaţiilor frigorifice pentru îmbarcarea la bordul navelor a produselor alimentare.

În 1920, prin utilizarea anhidridei sulfuroase şi a clorurii de metil, apăr primele maşini frigorifice de uz casnic sau comercial. Începând din 1930, apăr primele hidrocarburi fluorurate şi clorurate (CFC). Datorită caracteristicilor foarte interesante din punct de vedere termodinamic şi datorită mării lor stabilităţi atât termice cât şi chimice, utilizarea acestora va aduce o ameliorare considerabilă atât a fiabilităţii cât şi a siguranţei în funcţionare a instalaţiilor frigorifice cu compresie mecanică. Aşa se explică de ce în comparaţie cu amoniacul şi clorura de metil, aceste substanţe poartă denumirea de agenţi frigorifici de siguranţă.

În numeroase ţări, pe lângă denumirea de freoni, agenţii frigorifici pot fi întâlniţi şi sub diverse denumiri comerciale, care pentru acelaşi produs diferă de la ţara la ţara şi de la un producător la altul. R12 de exemplu, este numit Forane 12 (denumirea comercială a Uzinei Kuhlmann din Frântă), Flugene 12 (denumirea comercială a firmei Pechine Saint-Gobain din Frântă), sau Genetron 12 (denumirea comercială a societăţii Allied Chemical din S.U.A.). În unele publicaţii ştiinţifice, chiar şi denumirea de freoni, pentru desemnarea agenţilor frigorifici, este considerată comercială.

1.3 Compoziţia chimică a freonilor:

Din punct de vedere al compoziţiei chimice, freonii, care sunt hidrocarburi fluorurate, pot fi împărţiţi în trei mari categorii: ▪ CFC (clorofluorocarburi), freonii clasici, care conţin Cl foarte instabil în moleculă; ▪ HCFC (hidroclorofluorocarburi), freoni denumiţi de tranziţie, care conţin în

moleculă si hidrogen, datorită căruia Cl este mult mai stabil şi nu se descompune atât de uşor sub acţiunea radiaţiilor ultraviolete;

3

▪ HFC (hidrofluorocarburi), consideraţi freoni de substituţie definitivă, care nu conţin de loc în moleculă atomi de Cl.

Exemple de freoni uzuali:

Pe lângă cele trei categorii de agenţi frigorifici menţionate, există şi agenţi

frigorifici naturali, între care amoniacul (NH3), simbolizat şi prin R717, este cel mai important şi cel mai utilizat, datorită proprietăţilor sale termodinamice care îl fac cel mai performant agent frigorific din punct de vedere al transferului termic.

În ultimul timp începe să fie tot mai utilizat ca agent frigorific, propanul simbolizat prin R290, care reprezintă un înlocuitor excelent pentru R22, având o compatibilitate perfectă cu

4

uleiurile utilzate în compresoarele pentru R20 şi asigurând o eficienţă frigorifică superioară faţă de R22. Propanul este utilizat şi în numele tipuri de pompe de căldură.

Singura problemă legată de utilizarea propanului ca agent frigorific, este reprezentată de inflamabilitatea ridicată a acestuia.

Pe lângă cele trei categorii de agenţi frigorifici menţionate, existăşi agenţi frigorifici naturali, între care amoniacul (NH3), simbolizat şi prin R717, este cel mai important şi cel mai utilizat, datorită proprietăţilor sale termodinamice care îl fac cel mai performant agent frigorific din punct de vedere al transferului termic.

1.4 Domenii de utilizare a agenţilor frigorifici :Cele mai importante domenii de utilizare a freonilor şi agenţii de substituţie pentru freonii clasici, sunt prezentate în tabelul 4.

O mare parte dintre agenţii frigorifici, în special cei de substituţie, reprezintă amestecuri ale unor alţi freoni aşa cum se observă în tabelul 5.

5

1.5 Clasificarea agenţilor frigorifici :

Agenţii frigorifici sunt fluidele care recirculate în instalaţia frigorifică absorb căldura la presiuni şi temperaturi joase şi o cedează mediului înconjurător (aerului sau apei de răcire) la presiuni şi temperaturi ridicate.

În general un agent frigorific trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: -presiunea de vaporizare (fierbere) să fie superioară presiunii atmosferice dar apropriată

de aceasta, pentru a nu permite patrunderea aerului în instalaţie pe la eventualele neetanşeităţi în vaporizator.

-presiunea de condensare, să fie redusă, pentru a nu se impune utilizarea de compresoare, conducte şi armături supradimensionate (pentru creşterea mecanic şi evitarea pierderilor de agent.);

-puterea frigorifică specifică cât mai mare (pentru a uşura transportul unei cantităţi cât mai mari de căldură cu o cantitate cât mai mică de fluid.);

- căldura specifică a lichidului frigorific cât mai redusă în vederea micşorării pierderii cauzate de ireversibilitatea procesului de laminare;

- volum specific cât mai mic, spre a nu impune conducte de aspiraţie cu secţiuni mari şi compresoare cu debite volumice mari;

să nu aibă vâscozitate mare, întrucât aceasta ar impune consumuri mari de energie pentru a asigura circulaţia fluidului în instalaţie;

-să nu prezinte pericol de inflamabilitate şi toxicitate; -stabilitate chimică şi pasivitate la coroziune; -cost redus. Agenţii frigorifici ai instalaţiilor frigorifice se grupează în mai multe categorii: - agenţi frigorifici cu temperaturi coborâte la vaporizare, la presiune

atmosferică normală, utilizată în instalaţiile frigorifice cu comprimare mecanică de vapori; - aerul precum şi alte gaze având temperaturi joase de vaporizare, folosite

în instalaţiile frigorifice cu comprimare de gaze şi în cele cu turbionare; -soluţii ale diferitelor substanţe utilizate în instalaţiile cu absorbţie;

-apa utilizată în instalaţiile cu ejecţie.

Amoniacul NH (nu este un freon), are utilizare în instalaţiile frigorifice industriale, întrucât are căldură latentă de vaporizare mare, nu este sensibil la umiditatea conţinută în instalaţii şi dă posibilitatea de depistare a neetanşeităţiilor prin mirosul specific uşor de sesizat. Are dejavantajul că degajăriile de amoniac, afectează calitatea alimentelor conservate prin frig şi prezintă pericol de intoxicare, este exploziv şi inflamabil la concentraţii de 16,5 . . . . . 26,8% amoniac în aer. Amoniacul se livrează în butelii şi se foloseşte la compresoarele frigorifice cu piston de putere medie şi mare pentru temperaturi de vaporizare de până la -70 0C. Conductele pentru amoniac se confecţionează din cupru.

6

CAPITOLUL II

PRODUCEREA FRIGULUI ARTIFICIAL

2.1 Scurt istoric al frigului artificial:In istoria frigului artificial, anul 1755-cand William Cullen a realizat un aparat de produs

gheata artificiala prin evaporarea apei la presiune scazuta-poate fi considerat ca anul de nastere al frigului artificial.

Fara a intra in detalii, este util de aratat principalele etape in evolutia frigului artificial, in cele peste 2 secole cat au trecut de la inceputurile lui. Acestea pot fi sintetizate astfel:

Cercetarile sistematice asupra lichefierii gazelor, datorate lui M. Faraday, incepand cu anul 1823,ca si cercetarile de de termodinamica care incep in anul 1824 prin activitatea lui S. Carnot si se extind intre anii 1842-1852, au fost hotaratoare in realizarea primelor utilaje frigorifice.

Inventarea in anul 1834 a masinii frigorifice cu compresie-de vaporizare de vapori lichefiabili-de catre J. Perkins si pusa la punct de J. Harrison, in 1856, este consecinta directa a cercetarilor mentionate anterior precum si realizarii pompei de vid de catre Guericke in anul 1672.

Inventarea masinii frigorifice prin absortie, de catre Ferdinand Carre in anul 1859, care cunoaste curand o dezvoltare industriala, ca si inventarea masinii frigorifice cu compresie si destindere de aer, de catre Kirk in anul 1862, reprezinta doua etape importante in evolutia frigului artificial.

Inventarea masinii de fabricat gheata prin vaporizarea apei in vid, care intra in practica comerciala in anul 1866 cu aparatul lui Edmond Carre-fratele lui Ferdinand- poate fi considerata ca un punct de plecare pentru o alta etapa in producerea frigului artificial. Spre deosebire de masina lui Cullen din anul 1755,care functiona cu o pompa de vid, aparatul lui E. Carre functiona si cu absortia vaporilor de apa de catre acidul sulfuric, aflat intr-un recipient anume.

Cercetarile de termodinamica initiate de S. Carnot din anul 1824, care sunt aprofundate de C.Linde incepand din anul 1870, ca si studiul asupra fluidelor frigorigene dau un nou avant realizarilor in producerea frigului artificial.

In anul 1876, francezul Charles Tellier instaleaza un agregat frigorific cu compresie pe un vapor, utilizand alcool metilic, cu care a facut primele transporturi de carne intre Argentina si Franta.

Intrarea in actiune a altor fluide frigorifice-in locul eterului etilic si metilic, fluide cu pericol de explozie- ca dioxidul de carbon, dioxidul de sulf si amoniacul, hotarasc aparitia primului compresor cu amoniac realizat in anul 1876; este momentul din care incepe sa se dezvolte cu prioritate masinile cu compresie de vapori lichefiabili, in special cu amoniac.

Dupa anul 1900, masinile frigorifice sunt produse la scara industriala, iar frigul artificial se extinde practic in toate sectoarele vietii economice. Ca urmare, in anul 1929, americanul Clarence Birdseye a inregistrat brevetul pentru congelarea produselor alimentare si aproape concomitent au aparut frigiderele gospodaresti.

Dupa primul razboi mondial se dezvolta in mod rapid folosirea frigului in industria

alimentara; apare industria produselor congelate,depozitele de pastrare frigorifica si se fac cercetari pentru pastrarea in atmosfera controlata si cercetari pentru liofilizarea unor alimente, aceasta limitata insa din cauza costurilor ridicate.Dupa al doilea razboi mondial se dezvolta industria frigorifica atat in sfera productiei-instalatii de congelare, refrigerare si depozitare cat si in sfera desfacerii (vehicule frigorifice, vitrine frigorifice, refrigeratoare si congelatoare casnice).

Dupa cum se poate constata,industria frigului de abia a depasit 100 de ani de la aparitie, iar cea a congelarii alimentelor a ajuns la jumatate de secol. Cu toate acestea, intr-o perioada atat de scurta,progresele sunt spectaculoase. Productia de consum de alimente congelate a crescut neincetat in anii de dupa razboi, astazi, in multa tari, alimentele congelate intrand curent in alcatuirea meniurilor zilnice.

7

2.2. Introducere 2.3 Clasificarea instalaţiilor frigorifice Instalaţiile frigorifice se pot clasifica după: nivelul de temperaturi obţinute, principiul de funcţionare, tipul ciclului în periodicitate. a) după nivelul de temperaturi obţinute se pot deosebi: - domeniul climatizării în care frigul produs la temperaturi în general peste 0 0C, este utilizat în scopuri de confort sau tehnologie - domeniul frigului moderat (frigul industrial) care acoperă zona temperaturilor (-150C - 0 0C) - domeniul frigului adânc (criogeniei) unde temperaturile ajung până la aproape de zero absolut (-273,15 0C). b) după principiul de funcţionare : - instalaţii cu comprimare mecanică, antrenate de motoare electrice sau termice, ce folosesc proprietăţi elastice ale vaporilor sau gazului; - instalaţii cu sorbţie ce folosesc ca principiu reacţiile chimice evoterne şi andoterne dintre un solvent şi un dizolvant. Acestea se pot subclasifica astfel: - instalaţii cu absorbţie, la care procesele au loc la limita de separare dintre faza lichida si faza gazoasă; - instalaţii cu absorbţie, la care procesul de sorbţie are loc la suprafaţa absorbantului în fază solidă. Aceste instalaţii folosesc ca şi potenţial motor energia termică. - instalaţii cu jet ce utilizează energie cinetică a unui jet de gaz sau de vapori. Aceste instalaţii frigorifice se subclasifică: - cu ejecţie unde presiunea dinamică jetului creează o depresiune în vaporizator - cu turbionare unde jetul de gaz produce un vârtej cu efect de creare a unui gradient termic - instalaţii termoelectrice ce folosesc efectul Peltiér la trecerea curentului electric prin sisteme formate din două metale diferite, când se produc încălziri şi răciri la locul de sudare al metalelor; - instalaţii magnetice ce utilizează proprietatea corpurilor magnetice de a-şi mări temperatura la magnetizare şi a o reduce la demagnetizare. c) după tipul ciclului de funcţionare - instalaţii în circuit închis la care agentul de lucru parcurge succesiv elementele unui circuit închis; - instalaţii în circuit deschis la care după ce agentul parcurge părţi din instalaţie este extras parţial sau total din aceasta. d) după periodicitate - instalaţii cu funcţionare discontinuă în regim nestaţionar care funcţionează intermitent sau un singur aparat are mai multe roluri; - instalaţii cu funcţionare continuă caracterizate prin aceea că sistemul se găseşte în funcţionare permanentă la sarcina nominală. 1.3 Mărimi şi procese termodinamice 1.3.1 Mărimi termodinamice şi transformări de stare Pentru studiul fenomenelor termice, se introduce noţiunea de sistem termodinamic, ce reprezintă un corp sau un ansamblu de corpuri care schimbă energie şi substanţă cumediul ambiant. Din punctul de vedere al interacţiunii dintre un sistem termodinamic şi mediul ambiant, se pot întâlni: a) sisteme deschise sau închise după cum există sau nu schimb de substanţă cu mediul ambiant; b) sisteme adiabatice la care nu există schimb de căldură cu exteriorul.

8

Un sistem termodinamic este determinat prin mărimile fizice care îl caracterizează, numite parametrii sau mărimi de stare. Deoarece în tehnica frigului intervin în multe aplicaţii lichidele şi gazele, mai jos sunt redate mărimile de stare principale ale fluidelor. Masa m a fluidului reprezintă o măsură a cantităţii de substanţă. Presiuneap este rezultatul loviturilor moleculelor fluidului asupra vasului în care se află sau a suprafeţelor oricărui corp cu care fluidul vine în contact direct. În practică luându-se ca origine presiunea atmosferică se utilizează şi noţiunea de presiune relativă, care reprezintă diferenţa dintre presiunea absolută care domneşte într-un sistem şi presiunea atmosferică. Temperatura T exprimă gradul de încălzire a unui corp, fiind rezultatul agitaţiei moleculelor acestuia. Dacă T este temperatura în Kelvin iar t este temperatura în grade Celsius, atunci relaţia: T = t + 273,1 Volumul specific v reprezintă volumul unităţii de masă, adică: V =v/m (mc/kg) În care: V şi m volumul pe care-l ocupă fluidul, respectiv masa sa. Ecuaţia care arată interdependenţa dintre cei patru parametri m, p, V, T, se numeşte ecuaţia caracteristică de stare: F(m, p, V, T) = 0 Ecuaţia caracteristică exprimată pentru masa unitate rezultă din relaţia de mai sus prin introducerea volumului specific:

F(p, v, T) = 0 Una din ecuaţiile de stare, aplicabilă cu oarecare aproximaţie, gazelor reale, aflate la presiuni mici şi temperaturi ridicate, este ecuaţia lui Clapeyron:

Pv = m R T Iar pentru unitatea de masă: Pv = RT, În care: R este constanta gazului respectiv şi se exprimă în (J/Kg K ). Atunci când un fluid îşi schimbă starea, parametrii de stare capătă noi valori. Se spune că fluidul a suferit o transformare de stare sau un proces termodinamic. Fie starea 1 a unui fluid caracterizată de parametrii p , v, T şi starea 2 caracterizată de p1,v1,T1, parametrii p2,v2,T2 . La trecerea fluidului din starea 1 în starea 2, variaţia mărimilor caracteristice depinde numai de starea iniţială 1 şi de starea finală 2 şi este independentă de drumul transformării. Pentru ca un proces termodinamic să fie perfect determinat este necesară cunoaşterea nu numai a stărilor iniţiale şi finale ci totalitatea stărilor intermediare. Dacă la transformarea din starea 1 în starea 2, succesiunea de stări la transformarea de la starea 2 la starea 1, fără ca în mediul ambiant să se producă vreo schimbare remanentă, procesul se numeşte reversibil. Dacă stările intermediare sunt diferite în cele două transformări, procesul este ireversibil. Un ciclu termodinamic poate fi reprezentat într-o diagramă având ca abscisă volumul, iar ca ordonată presiunea. Deoarece prin cunoaşterea presiunii şi a volumului, o stare oarecare a sistemului este determinată, rezultă că unui punct din diagrama p-V îi corespunde o anumită stare şi numai una.

9

În acest fel, un ciclu oarecare 1ABC1 , poate fi reprezentat în această diagramă.

Procesele, la care starea finală este alta decât cea iniţială, se numesc procese termodinamice deschise.

Fluidul care parcurge o transformare termodinamică de stare se numeşte agent termic sau agent de lucru .

Există procese caracterizate prin faptul că la trecerea de la o stare la alta unul dintre parametrii de stare rămâne constant. De exemplu, procesul izobar (în care presiunea rămâne constantă), procesul izoterm (în care temperatura rămâne constantă) ş.a. Relaţiile dintre parametrii de stare, caracteristice unor astfel de procese se pot deduce din ecuaţia de stare, înlocuind parametrul care nu variază cu o constantă. De exemplu pentru procesul izoterm, înlocuind în ecuaţia de stare Clapeyron temperatura cu o constantă, rezultă:

Se poate arăta că pentru un proces termodinamic adiabatic, în care nu se schimbă căldura cu exteriorul, ecuaţia transformării este: k

10

PV = const., În care K se numeşte exponentul adiabatic. 2.3 Principii termodinamice 2.4 Primul principiu al termodinamicii Primul principiu al termodinamicii reprezintă aplicarea la fenomenele termice a principiului conservării energiei. El este rezultatul experienţei de milenii a omenirii şi are un caracter axiomatic adică nu poate fi demonstrat. Înainte de a-l enunţa, se vor defini câteva noţiuni cu care operează primul principiu. Lucrul mecanic este o formă microscopică de transmitere a energiei care se desfăşoară cu mişcare. În cazul termodinamicii acest transfer de energie este însoţit întotdeauna de o variaţie de volum. Pentru un sistem termodinamic, lucrul mecanic nu este o mărime de stare, deoarece el intervine numai la o transformare în care există şi deplasare. Energia este capacitatea unui sistem de a produce lucru mecanic la trecerea sa de la o stare la alta. Căldura este o formă microscopică de transmitere a energiei între două corpuri cu temperaturi diferite datorită exclusiv mişcării moleculare. Deoarece în tehnica frigului se întâlnesc adesea transformări termodinamice ciclice, se particularizează primul principiu pentru acest caz şi anume: într-un ciclu termodinamic, cantitatea de căldură schimbată de sistem cu exteriorul este egală cu lucrul mecanic efectuat pe ciclu: Q = I (1.3.11) Astfel spus, se poate produce lucrul mecanic consumând pentru aceasta în cantitate echivalentă căldură. Se defineşte ca fiind lucru mecanic tehnic L acea parte din lucrul mecanic total L care se schimbă efectiv cu exteriorul. Cealaltă parte din lucrul mecanic total L se consumă pentru ocuparea propriului volum a agentului de lucru în curgere (variaţaia energiei de dislocare). Ţinând seama de aceasta, primul principiu se mai poate scrie: Q = L+LtSau pentru unitatea de masă: q = i lt în care i reprezintă o nouă mărime de stare numită entalpie. În acest mod, primul principiu al termodinamicii se exprimă astfel: Într-o transformare deschisă, căldura schimbată de sistem cu exteriorul este egală cu creşterea entalpiei, la care se adaugă lucrul mecanic tehnic. Pentru o transformare adiabatică în care Q = 0: L = - I (1.3.14)

Adică lucrul mecanic tehnic este dat de scăderea entalpiei I , a sistemului.

2.5 Principiul al doilea al termodinamicii

Principiul al doilea afirmă că în mod natural, căldura trece la un corp mai cald către un corp mai rece şi nu invers. Sistemele frigorifice transferă totuşi căldură de la un nivel de temperatură scăzută către un nivel de temperatură ridicată, pentru aceasta fiind însă necesar un consum de energie. Transformarea pe care o suferă un sistem frigorific, astfel încât starea finală coincide cu starea iniţială, constituie un ciclu frigorific. Ciclul frigorific se poate prezenta în diag p-V (fig. 1.3.) printr-o curbă închisă (la 2b1). Pe porţiunea (la 2) se cedează căldura sursei calde Qced , iar pe porţiunea (2b1) se absoarbe căldură de la sursa rece Qabs

11

.Digrama p-V

Pentru a fi posibilă funcţionarea, în ciclu se consumă lucru mecanic L reprezentat în diagrama p-V de aria (la 2b1).

Deoarece schimburile de căldură depind de nivelul temperaturii la care au loc, s-a introdus o mărime de stare S numită entropie, a cărei variaţie este egală cu raportul dintre cantitatea de căldură schimbată într-un proces şi temperatura, în grade Kelvin la care a avut loc schimbul;

S= Q (kcal K) (1.3.15) T

În procesele reversibile adiacente, variaţia entropiei este nulă, deci entropia se conserdă. În toate procesele ireversibile, entropia creşte, deci:

S> 0 (1.3.16) Cum toate transformările din natură sunt ireversibile, al doilea principiu al tremodinamicii se poate enunţa şi astfel: orice fenomen real se produce cu creştere de entropie.

2.6 Diagrame de stare

2.7 Stări de agregare, transformări de fază

Comportarea fluidelor reale în cadrul transformărilor de stare este foarte complexă şi diferă de la fluid la fluid. Discontinuitatea, caracteristică de bază a materiei, se manifestă şi în domeniul termodinamicii fluidelor sensul că atunci când parametrii de stare presiune şi temperatură ating anumite valori strict determinate şi întotdeauna acelaşi, un fluid real îşi schimbă brusc proprietăţile fizice. Stările sub care se poate prezenta o substanţă din punct de vedere al rezistenţei la deformare prin forţe exterioare definesc stările de agregare. În natură se găsesc trei stări fundamentale de agregare: solidă, lichidă şi gazoasă. Trecerea unei substanţe dintr-o stare de agregare în alta se numeşte transformare de fază. Ca schimbări de fază există topirea (solid-lichid), solidificarea (lichid-solid), vaporizarea

12

(lichid-vapori), condensarea (vapori-lichid), sublimarea (solid-vapori) şi desublimarea (vapori-solid). Toate transformările de fază ale substanţelor pure se produc la temperatura constantă dacă presiunea rămâne constantă. Valorile temperaturii şi presiunii la care are loc schimbarea de stare definesc aşa-numita stare de saturaţie.

2.8 Căldura sensibilă şi latentă. Călduri specifice

Atât timp cât nu intervine o schimbare de fază, cantitatea de căldură schimbată de un corp este proporţională cu masa corpului, cu variaţia temperaturii acestuia şi depinde de natura sa.

Rezulta: Q = m c T (1.3.17)

În care :s-a notat cu Q cantitatea de căldură primită sau cedată de corp, cu m masa corpului, cu T variaţia temperaturii corpului şi cu c o mărime care caracterizează corpul din punct de vedere termic, numită căldură specifică.

2.9. Stări de agregare

Comportarea fluidelor reale în cadrul transformărilor de stare este foarte complexă şi diferă de la fluid la fluid. Discontinuitatea, caracteristică de bază a materiei, se manifestă şi în domeniul termodinamicii fluidelor sensul că atunci când parametrii de stare presiune şi temperatură ating anumite valori strict determinate şi întotdeauna acelaşi, un fluid real îşi schimbă brusc proprietăţile fizice. Stările sub care se poate prezenta o substanţă din punct de vedere al rezistenţei la deformare prin forţe exterioare definesc stările de agregare. În natură se găsesc trei stări fundamentale de agregare: solidă, lichidă şi gazoasă. Trecerea unei substanţe dintr-o stare de agregare în alta se numeşte transformare de fază. Ca schimbări de fază există topirea (solid-lichid), solidificarea (lichid-solid), vaporizarea (lichid-vapori), condensarea (vapori-lichid), sublimarea (solid-vapori) şi desublimarea (vapori- solid). Toate transformările de fază ale substanţelor pure se produc la temperatura constantă dacă presiunea rămâne constantă. Valorile temperaturii şi presiunii la care are loc schimbarea de stare definesc aşa-numita stare de saturaţie. Căldura specifică reprezintă cantitatea de căldură necesară variaţiei temperaturii unităţii de masă cu un grad Kelvin. Dacă schimbul de căldură se face la presiune constantă, căldura specifică se notează cu c şi se numeştecăldura specifică masică la presiune constantă. Produsul (mxc)se numeşte capacitate calorică şi reprezintă cantitatea de căldură primită sau cadată de un corp pentru a-şi modifica temperatura cu 1 grad. Deoarece efectul căldurii primite de corp se manifestă prin creşterea temperaturii (în cazul în care nu se produce schimbare de fază) această căldură se numeşte căldură sensibilă. Atunci când, prin absorbţie sau cedarea căldurii de către un corp nu se produce o variaţie a temperaturii sale şi are loc o schimbare de fază, căldura se numeşte căldură latentă. Astfel, căldura necesară vaporizării unei mase de lichid se numeşte căldura latentă de vaporizare.Există similar căldură latentă de condensare, de sublimare, de topire, de solidificare de desublimare. Conform primului principiu al termodinamicii cantităţile de căldură, atât sensibile cât şi latente, pot fi exprimate, în cazul transformărilor izobare, de variaţia entalpiei, deoarece în acest caz lucrul mecanic tehnic L este nul. Pentru transformările adiabate, variaţia entalpiei exprimă lucrul mecanic schimbat.

2.10 Diagramele de stare a fluidelor reale

13

Parametrii de stare ai fluidelor reale folosite în tehnica frigului au fost măsuraţi şi calculaţi, rezultatele trecându-se în tabele sau reprezentându-se în diferite diagrame numite diagrame de vapori. Pentru fiecare fluid real se poate trasa o diagramă de stare. Diagrama presiune-entalpie, larg utilizată în tehnica frigului, are reprezentate în abscisă 2entalpii specifice în J/Kg sau Kcal/Kgf, iar în ordonată presiuni în bar sau Kgf/cm . Diagrama cuprinde curba de saturaţie corespunzătoare transformării de fază lichid – vapori (vaporizare) şi valori – lichid (condensare). În figura este reprezentată diagrama lg p-i (se preferă ca în ordonată să se reprezinte logaritmi zecimali ai presiunii în loc de presiune, acest lucru asigurând o citire mai exactă a valorilor parametrilor de stare în domeniul temperaturilor scăzute). Câmpul diagramei este împărţit de către curba de saturaţie şi izoterma care trece prin punctul critic (numită izoterma critică) în 4 zone: Diagrama de stare presiune – entalpie (lg p-i)

- zona I de lichid, situată în stânga curbei de saturaţie până în punctul K şi sub izoterma critică. Ramura (aK) a curbei de saturaţie se numeşte curbă de saturaţie a lichidului; - zona II de vapori supraîncălziţi, în dreapta curbei de saturaţie şi sub izoterma critică. Ramura (Kb) a curbei de saturaţie poartă denumirea de curbă de saturaţie a vaporilor; - zona III de vapori umezi, numită astfel deoarece aici există în echilibru cele două faze lichid şi vapori; - zona IV de stare gazoasă.

În figura 1.3.3.3.2, a sunt reprezentate curbele de transformări simple (izoterme, izobare, izocore, izentrope). Izotermele (T = const.) sunt curbe de forma (a12b) care traversează zonele de lichid, vapori umezi şi vapori supraîncălziţi. Izobarele (p = const.) sunt drepte paralele cu axa absciselor, de forma (c12d).

14

Fig. 1.3.3.3.2 – Principalele tipuri de curbe din diagramele de stare presiune- entalpie (a) şi temperatură- entropie (b) În domeniul vaporilor umezi, izotermele se suprapun peste izobare deoarece transformarea de bază lichid-vapori are loc la temperatură şi presiune constantă. Izotermele (s = const.) sunt curbe de forma (n2 ), iar izocorele au forma (z2w) cu schimbare de pantă 2n punctul de intersecţie cu curba de saturaţie. În domeniul vaporilor umezi, mai apar pe diagramă curbele de titlu al vaporilor constant, x = const. Se defineşte titlul de vapori ca fiind raportul dintre masa vaporilor m , şi masa totală m a agentului frigorific: mv (Kilogram de vapori)

x = m (Ki log ram de agent)

Toate curbele de titlu constant converg în punctul critic K.

Există o corespondenţă biunivocă între stările fluidului real şi punctele din diagrama lg p-i, adică unui punct de diagramă îi corespunde o singură stare a fluidului respectiv şi numai una. Diagrama temperatură-entropie (T-s) are reprezentate 2n abscisă entropiile specifice s în J/KgK sau în Kcal/kg C, iar în ordonată temperatura în K. În figura 1.3.3.3.2b, este redată diagrama (T-s) cu principalele tipuri de curbe. Din punct de vedere al lucrului cu diagramele de stare este necesar să precizăm proprietăţile fundamentale ale diagramelor lg p-i şi T-s. În diagrama lg p-i, cantităţile de căldură în transformările izobare şi lucrul mecanic în transformările adiabate sunt reprezentate de segmente de dreaptă paralele cu axa absciselor cuprinse între două drepte paralele cu axa ordonatelor care trec prin punctele de început şi sfârşit de transformare. În diagrama T-s, cantităţile de căldură în transformările izobare sunt reprezentate de arii cuprinse sub curba transformării, axa absciselor şi două drepte paralele cu axa ordonatelor, care trec prin punctele de început şi sfârşit de transformare, fapt care face ca această diagramă să se numeaască şi diagrama calorică.

2.11. Transformări de stare specifice tehnicii frigului şi prezentarea lor în diagrame de stare

Comprimarea este procesul de mişcare a volumului unui fluid sub acţiunea unei forţe exterioare. Aceasta poate să decurgă izoterm,adiabatic sau politropic. Transformarea politropică este cea mai generală transformare de stare. Dacă se consideră fluidul descris de ecuaţia de stare Clapeyron, n pV =const. (1.3.19) În care n este exponentul politropic.

15

În practica frigorifică, procesul de comprimare este considerat adiabatic reversibil şi deci izentrop, fără ca această simpilficare să se introducă erori considerabile. În fig 2.6. este reprezentat procesul de comprimare în diagramele lg p-i şi T-s. Laminarea este procesul de scădere a presiunii unui fluid la trecerea acestuia printr-o îngustare a secţiunii de curgere. Dacă această transformare în inst. frigorifice, laminarea agentelor de lucru este însoţită, în general de o scădere a temperaturii fenomen ce stă la baza obţinerii efectului frigorific.

Comprimarea în diagramele (lg p-i) Reprezintă Laminarea în diagramă Vaporizarea şi condesarea sunt transformări de fază în care dacă p=ct şi T=ct

Condensarea este transformare de fază inversă vaporizării şi se produce cu cedare de căldură în care coeficientul global de transfer k (W\mK) este dat de relaţia

În cazul unui perete cilindric format din n straturi cilindrice, relaţiile de calcul sunt:

în care:

Capitolul III

3. Elemente de curgere a fluidelor si clasificarea instalaţiilor frigorifice 3.1 Caracteristici fizice ale fluidelor

Prin definiţie, fluidul este un mediu continuu, omogen şi izotrop care, într-un câmp de forţe exterioare (de exemplu câmpul gravitaţional) ia forma vasului în care se află şi în care în stare de repaus există numai tensiuni normale (presiuni ).

În sens hidrodinamic, lichidele sunt considerate fluide incompresibile iar gazele şi vaporii, fluide compresibile.

Principalele caracteristici ale fliudelor, care sunt necesare a fi cunoscute în studiul curgerilor acestora sunt: densitatea,vâscozitatea,compresibilitate, dilataţia termică, tensiunea

superficială (la lichide ). Densitatea (Kg/m ), reprezintă masa unităţii de volum

în care: m(Kg) este masa fluidului, iar V(m )- volumul ocupat de fluid. Vâscozitatea este proprietatea fluidului de a opune rezistenţă

mişcării particulelor sale. Această proprietate este evidenţiată de efortul tangenţial , care apare între două straturi de fluid în mişcare relativă, exprimat în mişcare relativă, exprimat prin legea

16

lui Newton grad în care: grad , este gradientul vitezei după o direcţie perpendiculară pe direcţia mişcării, iar este vâscozitatea dinamică a fluidului.

Fluidele care respectă relaţia (4.2) se numesc fluide newtoniene, iar cele care nu o respectă se numesc fluide nenewtoniene.

Prin împărţirea vâscozităţii dinamice la densitatea a fluidului se obţine vâscozitatea cinematică:

În SI, vâscozitatea dinamică se măsoară în (Pa x s), iar

vîscozitatea cinematică în

În cazul gazelor, vâscozitatea este practic independentă de presiune şi

variază în fucţie de temperatură, conform relaţiei:

în care coeficientul A şi exponentul n au valorile date în tabelul 4.1. Între vâscozitatea cinematică (m \s) şi vâscozitatea Engler (E) există relaţia:

Valorile A şi n pentru ecuaţia 4.4

Compresibilitatea fluidelor este proprietatea acestora de a-şi modifica volumul la variaţia presiunii.

Relaţia care exprimă variaţia densităţii unui fluid compresibil determinată de variaţia presiunii de la p la p, este:

17

în care : r şi r sunt densităţile corespunzătoare presiunii p şi respectiv p , iar este coeficientul de compresibilitate. Coeficientul nu variază cu presiunea dar este funcţie de temperatură.

Dilataţia termică este proprietatea fluidelor de a-şi modifica volumul la variaţa temperaturii.

Tensiunea superficială este forţa exercitată pe unitatea de lungime de la suprafaţa unui lichid ca urmare a interacţiunii dintre moleculele de la suprafaţă şi moleculele din interiorul lichidului.

Căderi de presiune la curgerea fluidelor La scurgerea unui fluid printr-o conductă se pot întâlni două regimuri de mişcare:

regimul laminar, în care înaintarea particulelor se face dezordonat. Pentru a învingerea rezistenţelor, se consumă din energia potenţială, având

ca efect scăderea presiunii statice, efect denumit căderede presiune. Căderile de presiune se datoresc frecărilor cu pereţii conductei, de-a lungul acestora, şi frecărilor locale în coturi, îngustări sau lărgiri de secţiune, robinete de

trecere ş.a.m.d.

3.2. Instalaţii frigorifice: Instalaţia Philips se bazează pe procesul inversat Stoling şi conţine două compresoare izoterme legate între ele printr-un regenerator şi are partu faze de lucru. - în faza I, pistonul principal comprimă gazul şi cedează căldura apei de răcire. - În faza a-II-a pistonul secundar transportă gazul comprimat prin regenator spre spre spaţiul de destindere.Gazul se răceşte izocor la trecerea prin regenator, căldura cedată fiind acumulată de acesta. - în faza a-III-a gazul se destinde prin deplasarea celor două pistoane realizându-se răcirea sa izotermă. - În faza a-IV-a pistonul secundar împinge gazul rece spre spaţiul de comprimare, acesta trece prin regenerator şi se încălzeşte izocor până la starea iniţială. Pentru calculul termodinamic al procesului se utilizează relaţiile: - lucrul masic

- puterea frigorifică masic

- eficienţa frigorifică ,deci eficienţa procesului Stirling, pt. cazul ideal coincide cu eficienţa Canot instalată se utilizează la producerea bobinelor electrice super conductoare a laserilor şi maserilor, precum şi drept criopompa la realizarea unui vaccum de 10-8 în cazul lichefierii heliului şi neonului, prin cristalizarea gazului.

3.3 Instalaţii ce funcţionează după un proces deschis S,si inchis. 3.4. Circuit frigorific deschisAgentul frigorific este in general apa si este in contact cu atmosfera; astfel de instalatii sunt utile pentru uscarea aerului si la racirea prin evaporare.Material adsorbant solidAceste instalatii sunt pe principiul climatizarii prin absorbtie, "desiccant cooling" (DEC) Agentul de lucru in climatizare este aerul. Cu ajutorul unui sistem de recuperare a frigului, aerul racit prin umidificare este utilizat in racirea aerului refulat. Dupa iesirea din sistemul de recuperare se realizeaza incalzirea aerului aspirat, care apoi stabilizeaza generatorul adsorbant. In uscatoarele adsorbante se introduce solutie de apa - silicagel sau apa - clorura de litiu -

18

celuloza. Aerul trece prin regeneratoare rotative sau mai multe straturi alternante de acumulatoare solide si vine in contact cu materialul adsorbant, care la randul lui se regenereaza prin caldura intr-o a doua etapa.Material adsorbant lichidAceste instalatii sunt asemanatoare cu cele care folosesc material adsorbant solid. Lichidul adsorbant este pulverizat in curentul de aer. Se utilizeaza solutie de apa - clorura de calciu si apa - clorura de litiu.Toate aceste instalatii utilizeaza energia electrica numai pentru actionarea circuitului auxiliar si nu pentru a comprima un agent frigorific gazos, astfel ca se reduce mult consumul de energie electrica, comparativ cu consumul in cazul masinilor frigorifice cu compresie. Aceste instalaţii se folosesc la procesele de lichefiere de separare. Instalaţia nu are vaporizator, aceasta fiind înlocuit cu un separator de lichid.

3.5. Procesul simplu Linde de lichefiere a aerului .

Este un proces de laminare în care compresorul aspiră aerul atmosferei (p = 1 bar şi Q = 20 0 C) şi îl comprimă cât mai apropiat de procesul izoterm. Aerul comprimat se răceşte în schimbătorul de călduri S prin schimbul de căldură cu aerul rece din care s-a separat aerul lichefiat. Urmează laminarea până la 1 bar în domeniul vaporilor umezi. Aerul lichid se separă şi se utilizează continuu iar aerul rece rămas trece prin schimbătorul de căldură şi apoi intră în aspiraţia compresorului. Lucrul mecanic consumat pentru comprimarea izotermă a gazului este

Cantitatea de aer lichid raportată la 1 Kg de aer se obţine din bilanţul termodinamic pentru sistemul delimitat în schema instalaţiei

Procesul Linde cu circuit de înaltă presiune În utilizarea acestui proces se consideră cantitatea de aer lichid proporţională cu diferenţa

19

de presiune, iar consumul de lucru proporţional cu raportul dintre presiunea de refulare şi cea de aspiraţie.

În instalaţie după prima laminare o parte a aerului cu starea 5 se preia, se răceşte şi se introduce în treapta a doua de comprimare. Restul aerului laminat până la starea 5 se laminează în treapta a II-a ajungând la domeniul umed, lichidul rezultat separându-se. Lucrul mecanic consumat în cele două trepte de comprimare izotermă este

Cantitatea de aer lichid rezultă din bilanţul termic

3.6. Circuit frigorific inchis - se utilizeaza de obicei in producerea de apa rece Material adsorbant solidPentru racire se monteaza o masina frigorifica cu adsorbtie cu material adsorbant solid. Temperaturile de actionare sunt intre 55 si 95 0C, agentul frigorific este o combinatie intre apa si silicagel, respectiv sare amoniacala. Aceste masini au cel putin doua adsorbere, intr-una preia vapori de apa rezultati in evaporator prin absorbtia caldurii, in cealalta se regenereaza, cu apa fierbinte se elimina apa legata in adsorbant. Caldura rezultata in ambele procese trebuie evacuata. Astfel de instalatii sunt indicate pentru racire si uscarea unor debite mari de aer peste 10.000 m3/h sau pentru producere de apa rece.Material adsorbant lichidAgentul frigorific este in general apa. Se adauga un al doilea lichid dizolvant, cu ajutorul caruia se realizeaza condensarea pe cale termica. Se poate utiliza o solutie de apa - bromura de litiu (LiBr) sau amoniac (NH4).Apa ca agent frigorific parcurge aceleasi schimbari de stare ca intr-o masina frigorifica cu compresie , se evapora pe seama caldurii preluate din mediul care se raceste. Agentul frigorific se comprima iar cu ajutorul unui circuit de racire se cedeaza din nou caldura cu o temperatura mai ridicata. Etapa urmatoare realizeaza din nou o temperatura mai scazuta pentru reluarea procesului de preluare a caldurii.Compresia agentului frigorific se realizeaza in circuitul solutiei de dilutie. Vaporii de apa produsi in evaporator prin preluarea caldurii, vor fi absorbiti in circuitul solutiei, alcatuite dintr-un amestec de apa si LiBr, respectiv NH3, care este higroscopic. Prin pompare, la o presiune mai ridicata, apa se evacueaza dupa preluarea caldurii, in forma de abur. Prin condensare si

20

cedare de caldura in condensator apa trece apoi in evaporator. In situatia unei masini frigorifice cu absorbtie apa / NH3, este necesara o rectificare pentru separarea apei de amoniac.Energia electrica consumata de masina frigorifica cu absorbtie este necesara numai pentru circuitul solutiei, deci un consum energetic mai scazut decat in cazul masinii frigorifice cu compresie. Aceste masini frigorifice cu absorbtie sunt in variantele cu o treapta (Single Effect) sau doua trepte (Double Effect), forme constructiva depinde de temperatura de actionare.Solutia apa / apa - bromura de litiu este indicata in climatizare, iar varianta apa / amoniac este recomandata in domeniul industrial pentru temperaturi foarte scazute ( pana la -600C). Instalaţii cu destindere adiabatică

S

3.7 Diagrama instalatiilor cu destindere adiabatica

În această instalaţie, gazul este aspirat şi comprimat adiabatic de la 1 la 2. Comprimarea

se poate realiza în mai multe trepte, cu răciri intermediare, realizându-se în acest mod o îmbunătăţire din punct de vedere energetic a procesului de comprimare. După comprimare urmează o răcire a gazului 2-2â la p=ct., până latemperatura iniţială, cu un mediu de răcire, de ex. Apa. Urmează răcirea 2â-3 cu schimbătorul intern de căldură S , simultan cu încălzirea gazului ce urmează a fi aspirat de compresor 3â-1, urmează destinderea adiabatică a gazului 3-4 într-un detantor D cu cedarea de lucru tehnic. După destindere, gazul atinge o temperatură scăzută cu care intră în sistemul de răcire adică 2n schimbătorul de căldură 2n care se realizează „frigul necesar”. Gazul se

încălzeşte la p=ct., de la starea 4-3â. Puterea frigorifică obţinută este proporţională cu .

21

unde C – căldura masică a gazului la p=ct. [J/Kg k] K = indicele transformării adiabatice R = constanta caracteristică a gazului [J/Kg k] Această I.F. se utilizează pentru puteri frigorifice mari. Eficienţa acestor i.f. este destul de redusă (sub 0,5)

Instalaţia cu laminare :

Diagrama instalaţiei cu laminare

Schema instalaţiei este similară cu cea a instalaţiei cu destindere la care detentorul este înlocuit cu un ventil de laminare. Ciclul termodinamic al instalaţiei constă din două izobare, o izotermă şi o izocoră.

Are eficienţă economică redusă, se utilizează la puteri frigorifice mici.

3.8. Efectul de răcire termoelectric(Peltier)

Acest efect de răcire a fost descoperit de ceasornicarul francez Peltier, care a observat că, în circuitul unui termocuplu, format din două conductoare diferite, sudate în copete, galvanometru se înlocuieşte cu o sursă de curent, la o sudură apare o răcire şi la cealaltă o încălzire.

22

O schemă a răcirii termoelectrice este alcătuit din conductorul 1 şi 2 sudate continuu. În condiţiile sensului curentului indicat, la un capăt se dagajă fluxul de căldură c , la temperatura Tc şi la celălalt capăt se produce absorbţia de flux de căldură F , la temperatura T0. Nivelurile de energie ale electronilor celor 2 conductoare în contact sunt diferite. Trecerea electronilor de la un nivel mai mic la un nivel energetic mai mare se face cu absorbţie de energie din afară şi deci locul de contact se va răci:

Diagrama efectuluide răcire termic

Efectul de răcire este redus la conductoare şi important la termocuple formate din semiconductoare. Căldura schimbată cu mediul ambiant la locul de contact a 2 semiconductoare, prin efectul Peltier, se exprimă cu relaţia:

unde I – intensitatea curentului electric (A)t-timpul sP1,2= coeficientul Peltier ce reprezinta cantitatea de caldura degajata sau absorbita la locul de sudare, cand prin acesta trece un curent cu intensitatea de 1A,in timp de 1s.

23

Temperatura minimă a sudurii reci se obţine când fluxul de căldură p , transferat prin conducţie termică, va echilibra fluxul de căldură extras prin efectul Peltier micşorat de efectul Joule- Lentz:

Dacă introducem în expresia numărătorului, valoarea intensităţii optime, se obţine:

Avantajele răcirii termoelectrice : - simplitatea construcţiei - lipsa de uzură - posibilitatea reglării continue a temperaturii de răcire T0 Dezavantaje: - costul ridicat al semiconductorului - fragilitatea termoelementelor de şocuri

4.1. INSTALATII FRIGORIFICE CU VAPORI

4.2. Clasificarea instalaţilor frigorifice cu vapori (I.F.V) Obţinerea unor temperaturi de (-20 0C. . . . . . -90 0C) se realizează cu I.F.V, care pot fi:

- cu comprimare într-o treaptă; - cu comprimare în două trepte; - cu comprimare în trei trepte; - cu comprimare în cascadă.

24

La aceste instalaţii în timpul parcurgerii ciclului de funcţionare, agentul de lucru îşi schimbă de două ori starea de agregare,în vaporizator şi condensator. În acest mod devine posibilă reducerea pierderilor, datorită ireversibilităţii trasferului de căldură, între agent şi cele două surse de căldură prin menţinerea diferenţelor de temperatură în limite acceptabile.

La schimbarea stării de agregare prin vaporizatoare şi condensatoare, coeficienţii de transfer sunt ridicaţi şi din această cauză schimbătoarele de căldură au dimensiuni relativ reduse.

4.3. Instalaţii frigorifice cu vapori cu o treaptă de comprimare

Majoritatea masinilor frigorifice cu comprimare mecanica utilizeaza vaporii de agenti frigorifici ca medii de lucru.

Principalele avantaje: - eficienta ridicata a ciclurilor, datorita apropierii ciclurilor

reale de ciclul Carnot generator, transformarile izoterme putand fi realizate ca transformari de faza (vaporizare, condensare);

- debite mici de agent, deci dimensiuni reduse ale compresoarelor si conductelor;

- dimesiuni reduse ale schimb. de caldura, datorita valorilor ridicate ale coef. de transmitere a caldurii.

25

Ciclul ideal al I.F.V este ciclul Carnot inversat. Lucrul mecanic (l min) minim necesar pentru realizarea efectului frigirific q este diferit de aria dreptunghiului delimitat de izotermele T0 şi Ta şi de izotropele s2 =s1 şi s4 =s3 .

Pentru aprecierea cilclului Carnot inversat se apelează la notţiunea de eficienţă frigorofica definită sub forma:

Pentru realizarea ciclului unei instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori sunt necesare câteva elemente principale şi anume:

Schema de principiu a instalatiei de comprimare mecanica cu vapori.

Vaporii saturati de stare 1 (fig.15.3), aflati la presiune scazuta p1 sunt comprimati politropic in compresorul 1 (fig.15.2) pana la presiunea din condensator p2. Agentul frigorific in faza de vapori supraincalziti intra in condensatorul 2 (fig.15.2) unde are loc racirea izobara pana la starea de saturatie si condensarea lor (transformarea 2-3-4) cu cedarea caldurii q1 mediului exterior, prin agentul de racire al condensatorului. Dupa condensare, agentul frigorific, la starea 4 este laminat in ventilul de laminare 3 (fig.15.2) pana la nivelul presiunii p1 din vaporizator. Transformarea (4-5) este izentalpica si ireversibila, rezultand un amestec lichid-vapori, la starea 5. In continuare are loc vaporizarea (5-1) in vaporizatorul 4 (fig.15.2), preluandu-se caldura qo de la spatiul refrigerat. vaporizatorul 1, care este un schimbător de căldură în care se obţine efectul frigorific prin fierberea agentului la presiune constantă, cu preluare de caldură de la mediul răcit;

- compresorul 3, care aspiră vaporii formaţi în vaporizator, îi comprimă şi-i refulează spre condensatorul 5;

- în condensatorul 5 are loc condensarea cu cedare de căldurăspre mediul de răcire şi robinetul de laminare 9, la trecerea la care lichidul îşi scade presiunea şi temperatura corespunzătoare condiţiilor din vaporizator.

Ciclul teoretic cu stările fizice ale agentului în diferite puncte ale instalaţiei este reprezentat şi cuprinde următoarele transformări de stare a agentului frigorific:

- comprimarea adiabatică ireversibilă 1’-2’ ; - răcirea 2-2’; - condensarea izotermă 2’-3’ ce se realizează izobar cedându-se căldură mediului

de răcire al condensatorului de temperatură Ta < Tk - subrăcirea 3-4 , a lichidului, prin schimb intern de căldură cu vaporii aspiraţi din vaporizator sau cu apă de răcire;

26

- laminarea izotalpă adiabatică ireversibilă 4-5; - vaporizarea izobară, izotermă 5-1, prin care se absoarbe căldura q , de la mediul

răcit, de temperatură T ; - supraâncălzirea izobară 1-1’, prin schimb intern de căldură, sau pe

traseul de conductă dintre vaporizator şi condensator. Mărimile principale, caracteristice, ale procesului de obţinere a frigului sunt

următoarele: - q0 , capacitatea frigorifică specifică, care exprimă efectul util al

instalaţiei, reprezentând cantitatea de căldură preluată de un 1kg de agent de stare &&&&;

4.4 Instalaţii frigorifice cu compresie mecanică de vapori în mai multe trepte şi laminare în una sau mai multe trepte

Obţinerea temperaturii sub -25 C, implică utilizarea în mai multe trepte, pentru ca la T0 scăzută raportul de comprimare P /P creşte, ceea ce determină creşterea lucrului mecanic de comprimare şi implicit scăderea eficienţei frigorifice a instalaţiei frigorifice, precum şi cre şterea temperaturii de refulare, cu repercursiuni asupra ungerii compresorului.

Există o diversitate de scheme de instalaţii frigorifice în două trepte care se deosebesc între ele prin modul de răcire a vaporilor refulaţi din prima treaptă de comprimare, şi numărul de laminări ale agentului lichid.

În instalaţiile frigorifice industriale de mare capacitate se utilizează scheme cu compresoare boosterizate, în care răcirea intermediară a vaporilor refulaţi de compresoarele de pe o treptă se realizează în separator-acumulatoarele treptei superioare.

Laminarea agentului frigorific se poate realiza într-o treaptă de laminare, în două trepte sau combinat,un anumit debit de agent într-o treaptă şi alt debit în două trepte.

Schemele de instalaţii ce utilizează comprimarea în trepte boosterizate şi laminarea în trepte oferă din punct de vedere termodinamic performanţe ridicate în raport cu alte tipuri de scheme.

27

4.5. Instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori în cascadă

Consta din doua masini monoetajate (sau bietajate) legate in serie prin cuplarea condensatorului ramurii inferioare, de temperatura joasa cu vaporizatorul ramurei superioare, prin introducerea lor intr-o baie comuna, deseori cu o solutie de alcool.

Avantajul deosebit consta in faptul ca in fiecare ramura se poate utiliza agentul frigorific potrivit. Dezavantajele sunt:

- constructie complicata - eficienta mai redusa decat a masinii frigorifice polietajate. Se utilizează pentru obţinerea temperaturilor de -50 C. . . . -60 C.

Aceste instalaţii funcţionează cu doi sau mai mulţi agenţi frigorifici în căluri separate între care există doar schimb de căldură.

În cazul unei singure cascade, primul ciclui A, numit de temperatură înaltă, realizează vaporizarea în aparatul vaporizator-condensator, preluând căldura de la agentul din ciclul B, numit de joasă temeratură.

Ca agenţi frigorifice în ciclul de temperatură înaltă se pot utiliza NH ,R12, R40, R22, iar în ciclul de joasă temperatură R13, R23, etilenă.

28

4.6. Instalaţii frigorifice prin utilizarea absorbţiei

Aceste masini frigorifice se bazeaza pe afinitatea pe care oau unele substante solide sau lichide fata de vaporii altor substante, utilizate ca agent frigorific; in urma absorbirii (dizolvarii)acestor vapori de catre substanta absorbanta, se formeaza o solutie binara omogena, din care, prin incalzire la presiune ridicata se degaja vapori de agent frigorific, care condensati intr-un condensator si strangulati, pot alimenta cu agent frigorific recevaporizatorul instalatiei.Vaporii pot fi reabsorbiti in absorbant la presiune si temperatura scazute.

Solutii binare folosite la masinile frigorifice cu absorbtie:-clorura sau bromura de litiu/apa (instalatii de climatizare);-clorura de calciu/amoniac (instalatii mici);-apa/amoniac (cele mai utilizate). Producerea temperaturilor scăzute prin absorbţie se bazează pe

proprietăţile pe care unele lichide de a absorbi vaporii altor substanţe (agenţi frigorifici) formând o soluţie binară omogenă.

Soluţia bogată este încălzită în fierbătorul F în care se introduce căldura q j/kg, generată de un agent încăzitor. Vaporii de agent frigorific degajaţi de soluţie sunt condensaţi în condensatorul R, răcit cu apă, în care se cedează căldura qR. Apoi agentul frigorific lichid este laminat în robinetul de laminare 2, iar în vaporizator se va obţine efectul frigorific prin preluarea căldurii q .

29

Vaporii de agent formaţi sunt absorbiţi în absorbatorul A, de către soluţia săracă, care vine din fierbător prin robinetul de laminare 1. În absorber circulă apa de răcire care preia căldura qA. Pompa P trimite soluţia îmbogăţită din absorber în fierbător, cedându-i echivalentul caloric al lucrului mecanic de pompare q .

Prin procesele de absorbţie a vaporilor în absorber, pomparea soluţiei bogate în fierbător şi fierberea acesteia cu degajare de vapori de agent frigorific, se realizează o comprimare a vaporizarea dinspre vaporizator spre condensator. Această comprimare termochimică este analogă comprimării efectuate de compresor în cazul instalaţiilor frigorifice cu comprimare mecanică de vapori.

Schema unei masini frigorifice cu absobtie

Fierbator,pompa, VR-ventil de reglareA-absorbitor,V-vaporizator,K-condensator

Pentru marirea eficientei acestor instalatii, ele suntcompletate cu o serie de schimb. de caldura, care au pe de oparte rolul de a recupera energia termica din solutia calda, saraca,care paraseste fierbatorul, iar pe de alta parte, de a condensavaporii de apa degajati in fierbator impreuna cu vaporii deamoniac, inainte de a ajunge in condensator.

30

4.7. Instalaţii frigorifice cu ejecţie

De regulă ca agent frigorific se utilizează apa, care prezintă o serie de avantaje: ieftină, netoxică, neinflamabilă, căldură latentă de vaporizare mare.

Pentru comprimarea vaporilor reci de apă se foloseşte energa cinetică a burului viu care se destinde în ejector.

Aburul viu antrenează prin ejecţie în ajutajul convergent-divergent al ejectorului, vaporii reci din vaporizator mărindu-le presiunea de la P0 la Pk

Instalaţia cuprinde două cicluri şi trei nivele de presiuni: presiunea de fierbere Pf , de condensare Pk şi de vaporizare Po .

Utilizarea ejectoarelor prezintă avantajele: construcţie simplă, ieftină, fără piese în mişcare a ejectorului, siguranţă în exploatare, lipsa ungerii, întreţinere uşoară şi posibilitatea deplasării întregii instalaţii în exterior fără necesitatea unei construcţii de adăpostire.

Prezintă ca dezavantaje: necesitatea aburului viu de antrenare, adaptarea dificilă a instalaţiei la variaţia parametrilor externi, reglarea dificilă a puterii frigorifice.

Dacă se dispune de abur de priză de la turbine,utilizarea instalaţiei cu ejecţie poate conduce laavantaje economice şi energetice şi asigură utilizarea aburului în perioada de vară, când consumul este redus.

Instalaţiile frigorifice cu ejecţie se pot utiliza după două scheme diferite: cu utilizarea unui condensator de suprafaţă şi cu utilizarea unui condensator prin amestec.

Instalaţiile frigorifice cu ejecţie se utilizează pentru răcirea unor soluţii apoase, a apei industriale, în condiţionarea aerului, în unele procese tehnologice din chimie, farmacie.

31

4.7 Instalatii criogenice

Pentru utilizarea tehnicilor criogenice este necesara folosirea gazelor lichefiate cu temperatura de saturatie foarte scazuta la presiunea atmosferica normala. Prima treapta in criogenie o reprezinta utilizarea azotului lichid, a carui temperatura de saturatie la presiunea atmosferica normala este de -193,7 oC.

Schema instalatiei Linde si ciclul de functionare

5. CONCLUZII:

Prin racire se intelege un proces prin care se preia energia de la un sistem sub forma de caldura,insotit totodata de micsorarea temperaturii lui.Un corp se poate raci de la cea mai inalta temperatura, pana in apropiere de 0 absolut.Racirea pana la temperatura mediului ambiant se poate face prin racire natuarla, sau prin racire artificiala; sub temperatura mediului ambiant, racirea nu se poate face decat artificial.Caldura preluata in procesul de racire artificiala se numeste frig artificial.Frigul artificial se poate obtine cu ajutorul unor dispozitive speciale, masini sau instalatii denumite frigorifice, acaror functionare necesita un consum de energie(mecanica, electrica sau termica).Pentru a raci un corp si a-l mentine la o temperatura mai mica decat cea a mediului ambiant, este necesar ca el sa cedeze mediului ambiant caldura, consumand in acest scop energie mecanica, electrica, termochimica etc.Frigul artificial se obtine utilizand urmatoarele procese fizice sau fizico-chimice:-transformarile de agregare endoterme cum sunt topirea, vaporizarea,sublimarea, dizolvarea;-desorbtia vaporilor sau gazelor dintr-un corp;-destinderea adiabatica a gazelor;-destinderea gazelor prin laminare;-destinderea turbionara a gazelor;

32

-efectul termoelectric care consta din trecerea curentului electric printr-un circuit format din 2 materiale conductoare sau semiconductoare diferite;-demagnetizarea substantelor paramagnetice;

Clasificarea masinilor frigorifice cu functionare continua:

Masini frigorifice cu agent: a) cu schimbarea starii de agregare(cu vapori) b) fara schimbarea starii de agregare(cu gaze)Acestea la randul lor pot fii: -din categoria a) -cu compresor (comprimare mecanica) -cu ejector (comprimare termica) -prin absorbtie (comprimare termochinica) -din categoria b) –cu destindere adiabatica -cu laminare -cu destindere turbionara -cu destindere izotermica (laminare)Masini frigorifice fara agent-racire termoelectrica.

Comprimarea este procesul de modificare a volumului unui fluid sub acţiunea unei forţe exterioare. Aceasta poate să decurgă izoterm,adiabatic sau politropic. Transformarea politropică este cea mai generală transformare de stare. Dacă se consideră fluidul descris de ecuaţia de stare Clapeyron, pV =constant, n este exponentul politropic.

În practica frigorifică, procesul de comprimare este considerat adiabatic reversibil şi deci izentrop, fără ca această simpilficare produca erori considerabile.

Laminarea este procesul de scădere a presiunii unui fluid la trecerea acestuia printr-o îngustare a secţiunii de curgere. Dacă această transformare în instalatiile frigorifice, laminarea agentilor de lucru este însoţită, în general de o scădere a temperaturii fenomen ce stă la baza obţinerii efectului frigorific.

Vaporizarea şi condesarea sunt transformări de fază în care dacă p=ct şi T=ct Condensarea este transformare de fază inversă vaporizării şi se produce cu cedare de căldură.

Clasificarea instalaţiilor de producere a frigului artificial se face în general după următoarele criterii :- principiul de funcţionare;- tipul ciclului frigorific;- periodicitate.După principiul de funcţionare instalaţiile frigorifice utilizate în industrie, comerţsau aplicatii casnice pot fi cu compresie mecanica de vapori, cu compresie de gaze cu absorbtie (compresie termochimica), cu ejectie sau termoelectrice. Mai exista si alte procedee de producere a frigului artificial (magnetocaloric, prin efectEttinghaus, s.a.) , care nu si-au găsit încă o aplicaţie industriala.Instalatiile frigorifice cu compresie mecanica utilizează proprietăţile elastice alegazelor si vaporilor ce se manifesta prin cresterea temperaturii lor în timpul comprimării si scăderea temperaturii în procesul de destindere.Instalatiile cu absorbţie sau compresie termochimica au principiul de lucru bazatpe realizarea succesiva a reacţiilor termochimice de absorbţie a agentului de lucru de către un absorbant, după care urmeaza desorbţia agentului din absorbant.

33

Procesele de absorbţie si desorbţie joaca în acest caz rolul proceselor de aspiraţie (destindere) si refulare (comprimare) executate de compresorul mecanic.Compresia termochimica se realizeaza prin utilizarea unui amestec binar, consumându-se energie termica.Instalatiile cu ejecţie utilizează energia cinetica a unui jet de vapori sau gaz. În funcţie de construcţia ajutajului si de modul de desfăşurare a procesului, aceste instalatii pot fi cu ejector sau turbionare.Instalatiile termoelectrice, care au la baza efectul Péltiér, permit obţinerea frigului artificial prin utilizarea directa a energiei electrice. Este cunoscut faptul ca la trecerea curentului electric printr-un ansamblu format din doua materiale diferite,se constata apariţia unei diferenţe de temperatura la cele doua lipituri ale sistemului. Aplicarea pe scara larga a acestui efect a devenit posibila odată cu dezvoltarea tehnicii semiconductoarelor.După tipul ciclului frigorific instalaţiile frigorifice pot funcţiona în baza unui proces închis sau deschis.

========================================================

34

Bibliografie

1. Stefanescu D,Marinescu M.-Termotehnica, Bucuresti, E.D.P.,1983

2. Leonachescu N.-Termotehnica, Bucuresti, E.D.P., 1981

3. Danescu Al.,Carbunaru A.,Petrescu St.,Popa B, Iosifescu C, Silasi C, Dinache P, Radcenco

V, Marinescu M, Stefanescu D,Madarasan T.-Termotehnica si masini termice, Bucuresti,

E.D.P., 1985

4. Popa, B., Vintilă, C. - Termotehnicăşi maşini termice, E.D.P., 1977.

5. Theil, H., Negru, D., Jădăneanţ, M., - Termotehnicăşi maşini termice, E.D.P., 1989.

6. Vîlceanu, L. – Termotehnica, Ed. Politehnica, Timişoara, 2002.

7. Vîlceanu, L., Raţiu, S. – Termotehnică, maşini şi instalaţii termice, Îndrumar de laborator,

8. Lito U.P.T., 2000

9. Vîlceanu, L., Raţiu, S. – Termotehnică, maşini şi instalaţii termice, Culegere de probleme,

Editura Mirton Timisoara, 2007.

35