Partile componente ale instalatiilor frigorifice

Partile componente ale instalatiilor frigorifice

S-a aratat anterior ca presiunea de condensare are o valoare mai ridicata decat cea de vaporizare (), deci in instalatiile de acest tip, se consuma energie pentru cresterea presiunii vaporilor furnizati de vaporizator, unde s-au format preluand caldura de la sursa rece, pana la presiunea din condensator, unde vor ceda caldura sursei calde.

Acest proces se poate realiza intr-o masina denumita compresor, avand tocmai rolul de a comprima vapori sau gaze, bineinteles cu ajutorul unui consum de energie mecanica. Exista si alte solutii tehnice pentru realizarea comprimarii vaporilor in instalatii frigorifice sau pompe de caldura, utilizand insa energie termica in locul celei mecanice.

Daca vaporizatorul si condensatorul sunt schimbatoare de caldura si prezinta o suprafata de transfer termic pentru asigurarea interfetei dintre agentul frigorific si sursele de caldura, compresorul este o masina mai complexa din punct de vedere constructiv, cu piston in interiorul unui cilindru, cu surub, cu lamele culisante intr-un rotor montat excentric fata de stator, sau avand alte constructii. In toate aceste situatii, comprimarea se realizeaza prin reducerea volumului agentului de lucru antrenat. Exista si turbocompresoare, acestea avand functionarea bazata pe legile gazodinamicii, transformand energia cinetica in energie potentiala de presiune. Puterea necesara din exterior, pentru desfasurarea procesului, numita putere de comprimare, se noteaza cu Pc[kW]. Dupa comprimare, vaporii de agent frigorific cedeaza caldura in condensator, sursei calde si asa cum s-a aratat, condenseaza la valoarea pk a presiunii, deci la sfarsitul procesului, agentul frigorific paraseste aparatul schimbator de caldura in stare lichida. Condensul, pentru a reveni in vaporizator trebuie sa-si micsoreze presiunea pana la valoarea p₀. Din punct de vedere energetic, destinderea se realizeaza cel mai eficient, intr-o masina numita detentor. Aceasta are avantajul ca produce energie mecanica, respectiv putere, capabila sa compenseze o parte din consumul necesar pentru antrenarea compresorului. Din punct de vedere constructiv, detentorul este fie o masina cu piston intr-un cilindru, fie una de tip rotativ, cu circulatia radiala sau axiala a agentului frigorific. Indiferent de constructie, agentul de lucru cedeaza pistonului sau rotorului o parte din energia sa potentiala de presiune si astfel se destinde pana la presiunea de vaporizare. Puterea furnizata in timpul destinderii, numita putere de destindere, se noteaza cu P_d [kW]. Agentul frigorific la presiunea p₀, in stare lichida, intra in vaporizator, unde absoarbe caldura de la sursa rece, vaporizeaza si apoi patrunde in compresor, iar in continuare functionarea instalatiei se realizeaza prin parcurgerea continua a celor patru aparate. Procesele de lucru care se desfasoara in acestea, respectiv vaporizare, comprimare, condensare si destindere, alcatuiesc impreuna ciclul termodinamic inversat ideal, dupa care functioneaza instalatiile frigorifice si pompele de caldura. In consecinta, instalatiile frigorifice si pompele de caldura, au in componenta cel putin patru elemente componente: vaporizator (V), compresor (C), condensator (K) si detentor (D), iar cea mai simpla schema constructiva a instalatiilor de acest tip poate sa fie reprezentata ca in figura 7.

De cele mai multe ori, sursa rece, sau mediul racit de vaporizator, este reprezentata de aerul din jurul acestui schimbator de caldura, de apa, sau de alte lichide, denumite generic agenti intermediari. Practic agentul frigorific vaporizeaza absorbind caldura de la aceste substante.

Pentru condensator, sursa calda, sau mediul incalzit, este reprezentata de aerul din mediul ambiant, de apa, sau simultan de apa si aer. Acestea, prin suprafata de schimb de caldura, preiau de la agentul frigorific toata caldura latenta de condensare. In practica, de multe ori se spune ca apa sau aerul, sunt agentii de racire ai condensatoarelor. Atat pentru vaporizator cat si pentru condensator, exista numeroase tipuri si variante constructive.

Energia, sau puterea (P) necesara din exterior pentru functionarea acestor instalatii, este reprezentata de diferenta dintre puterea de comprimare (P_c) si puterea de destindere (P_d), deci:

, [kW], (10)

Tinand seama de relatia (10), ecuatia de bilant energetic (9) ramane valabila.

Din punct de vedere al analizelor energetice, pentru a elimina dependenta de cantitatea de substanta, respectiv de debitul masic al agentului de lucru din instalatie, vor fi considerate

schimburile energetice specifice, adica raportate la un kilogram de substanta. Acestea sunt:

- puterea frigorifica specifica:

, [kJ/kg], (11)

- lucrul mecanic specific de comprimare:

, [kJ/kg], (12)

- sarcina termica specifica a condensatorului:

, [kJ/kg], (13)

- lucrul mecanic specific de destindere:

, [kJ/kg], (14)

Detentorul din instalatiile frigorifice ar fi o masina foarte complexa si in consecinta foarte scumpa, indiferent de constructia acestuia. Complexitatea constructiva a detentorului, nu este justificata de producerea unui efect util pe masura, deoarece destinderea agentului frigorific, se produce in domeniul in care agentul frigorific se gaseste preponderent in faza lichida, (in detentor intra lichidul furnizat de condensator) si este cunoscut ca prin destinderea lichidului, se produce un lucru mecanic, respectiv o putere de destindere mult mai redusa decat in cazul destinderii vaporilor. Cu toate ca din punct de vedere termodinamic si energetic, cea mai eficienta solutie pentru realizarea destinderii, este reprezentata de utilizarea detentorului, din punct de vedere tehnologic si economic, acesta nu este rentabil. Practic, in constructia instalatiilor frigorifice, detentorul este inlocuit de un dispozitiv mult mai simplu din punct de vedere constructiv, in care destinderea este realizata prin laminare. Acest dispozitiv este fie un tub capilar, in sistemele de putere frigorifica redusa, fie un ventil de laminare, in sistemele si instalatiile de putere frigorifica medie sau mare.

Instalatiile frigorifice avand in componenta aceste dispozitive de destindere, sunt ceva mai putin eficiente decat cele prezentate in figura 8, deoarece nu mai produc lucru mecanic, respectiv putere de destindere, dar sunt mult mai rentabile din punct de vedere tehnico-economic, reprezentand practic singurele solutii tehnice utilizate in prezent, in constructia instalatiilor frigorifice cu comprimare mecanica de vapori, de tipul celor prezentate anterior.

In figura 8 este prezentata o schema constructiva a unei instalatii de putere frigorifica redusa in care laminarea este realizata prin tub capilar, iar in figura 9, schema unei instalatii de putere frigorifica medie, in care laminarea este realizata intr-un ventil de laminare termostatic.

Bulbul care poate fi observat pe conducta de aspiratie, are rolul de a controla procesul de laminare, in vederea eliminarii pericolului ca eventuale picaturi de lichid nevaporizat sa ajunga in compresor. Laminarea este controlata prin valoarea temperaturii vaporilor la iesirea din vaporizator, de unde provine si denumirea acestui aparat: ventil de laminare termostatic.