Instalatii frigorifice cu comprimare mecanica de vapori

Instalatii frigorifice cu comprimare mecanica de vapori

Racirea unui corp sau a unui spatiu presupune mentinerea temperaturii acestora sub temperatura mediului ambiant prin evacuarea continua a caldurii catre mediul ambiant.

Procesul de racire al corpurilor sau spatiilor poate fi natural (frig natural) sau artificial (frig artificial). Obtinerea frigului pe cale naturala se realizeaza utilizand gheata sau amestecuri frigorifice. Obtinerea frigului artificial presupune utilizarea unor masini si instalatii care sa efectueze procesele frigorifice, ceea ce confera avantaje fata de utilizarea frigului natural: posibilitatea de racire a corpurilor pana la temperaturi mult sub temperatura ambianta, continuitatea proceselor de racire, posibilitatea obtinerii frigului in orice perioada a anului indiferent de conditiile climatice.

Functie de nivelul de frig obtinut pe cale artificiala se disting:

instalatii de frig moderat;

instalatii de frig adanc (sau criogenice), limita de separare fiind in jurul valorii de 120 K (temperatura normala de fierbere a metanului).

Importanta studierii instalatiilor frigorifice este legata de diversitatea (vastitatea) domeniilor in care este utilizat frigul artificial:

in industria chimica, in procesele de fabricatie a multor substante uzuale, agentii frigorifici realizand evacuarea caldurii de reactie sau dizolvare, separarea cristalelor de saruri din solutie, lichefierea gazelor, separarea amestecurilor de gaze si fluide. Se foloseste frigul moderat, dar si adanc pentru separarea si epuizarea unor substante in stare gazoasa la temperaturi de pana la - 200°C;

in industria petrolului si gazelor naturale, in procesul de distilare si rectificare;

in industria alimetara, racirea si congelarea unor produse industriale in vederea depozitarii si conservarii la temperaturii de pana la -40°C. Procesele de liofilizare (criodesicare), adica uscarea produselor prin congelare si eliminarea umiditatii prin sublimarea ghetii in vid, au deosebita nevoie de frig pana la temperaturi de -80°C;

in metalurgie, pentru procese avansate in tratamete termice la temperaturi joase (-80°C - -190°C), utilizand bai de azot lichid;

la functionarea reactorilor atomici, in producerea "apei grele";

in electrotehnica, la transportul energiei electrice prin cabluri criogenice sau criorezistive, racite    cu azot lichid sau supraconductoare, racite cu heliu lichid, la racirea componentelor electrotehnice si electronice

in exploatarile miniere, prin inghetarea apei continuta de pamantul din jurul galeriilor, pentru evitarea infiltratiilor si consolidarea temporara a terenurilor;

in tehnica conditionarii aerului;

in medicina, pentru racirea locala in scop de anestezie in interventiile chirurgicale sau pentru extirparea unor tumori (criochirurgie);

in aviatie si cosmonautica, pentru alimentarea cu oxigen a    personalului uman la altitudine si in spatiu cosmic, precum si prin utilizarea combustibililor in starea lichida.

In tehnica frigului se utilizeaza pentru obtinerea efectului de racire urmatoarele metode:

transformarile de faza ale agentilor frigorifici (vaporizarea si condensarea);

desorbtia gazelor si vaporilor - respectiv absorbtia;

laminarea gazelor si vaporilor;

destinarea izentropica a gazelor;

efectul turbionar de separare energetica;

efectul termoelectric;

efectul magnetocaloric;

In instalatiile frigorifice de frig moderat, cea mai larga utilizare o are prima din aceste metode: (utilizarea vaporizarii si condensarii), asociata cu laminarea agen-tului frigorific lichid, aplicata la instalatiile frigorifice cu comprimare mecanica de vapori (IFV), la cele cu absorbtie (IFA) si respectiv la cele cu ejectie (IFE

In instalatiile de frig adanc, in special pentru lichefierea gazelor, un rol important revine laminarii si destinderii izentrope.

Instalatiile frigorifice se pot clasifica:

a)  dupa principiul de functionare:

- instalatii cu comprimare care utilizeaza proprietatile elastice ale gazelor si vaporilor, ce se manifesta prin cresterea temperaturii lor la com-primare si scaderea acesteia in timpul destinderii. Ca sursa de energie, instalatiile cu comprimare utilizeaza energia electrica sau mecanica. Se pot obtine intr-o treapta temperaturi de vaporizare (la sursa de temperatura scazuta) de cca. - 30°C, in functie de agentul frigorific folosit, in doua trepte pana la - 60°C, in cascada - 100°C, in cascade multiple, temperaturi foarte scazute.

- instalatiile cu absorbtie, al caror principiu de lucru este realizarea succesiva a reactiilor termochimice, a absorbtiei agentului de lucrul de catre un sorbant, dupa care urmeaza desorbtia agentului din sorbant. Ca forma de energie, aceste instalatii utilizeaza fluxuri termice reziduale si, in ultimul timp, energia solara. Temperaturile ce se pot atinge variaza in functie de solutiile binare folosite de la -50°C la solutia hidroamoniacala, la temperaturi aflate la nivele de conditionare, in cazul folosirii solutiei de bromura de litiu - apa;

- instalatiile cu jet, utilizeaza energia cinetica a unui jet de vapori sau gaz;

- instalatiile termoelectrice care au la baza efectul Péltiér permit obtinerea frigului prin utilizarea directa a energiei electrice. Utilizand materiale semiconductoare se pot obtine in cascada temperaturi de -70°C;

- instalatiile magnetocalorice, prin care se obtin temperaturii foarte sca-zute prin demagnetizarea adiabatica a unor substante de tipul sarurilor paramagnetice;

- instalatii frigorifice cu gaze (I.F.G.) cu sau fara regenerare interna cu sau fara functionare nestationara;

- generatoare turbionare de frig si caldura;

b)  dupa tipul ciclului:

- instalatii care functioneaza pe baza unui ciclu inchis (IFV, IFA, unele I.F.G-uri, IFE)

- instalatii care functioneaza pe baza unui proces deschis, agentul de lucru fiind total sau partial extras din instalatie in timpul functionarii, in locul agentului extras este introdusa o noua cantitate. In acest mod functioneaza instalatiile de separare si lichefiere a gazelor, precum si cele folosite pentru congelarea gazelor (zapada carbonica)

c) dupa periodicitate

instalatii cu functionare continua, in regim stationar (IFV, IFA, I.F.G. IFE);

instalatiile cu functionare discontinua, in regim nestationar (unele IFA).

1. Instalatii frigorifice cu comprimare mecanica de vapori (IFV)

intr-o treapta

1.1. Ciclul ideal al instalatiilor frigorifice si pompelor de caldura

Obtinerea efectului frigorific (sau caloric) presupune parcurgerea de catre agentul de lucru a unei succesiuni de procese care reprezinta ciclul frigorific (sau al pompei de caldura).

Deoarece procesele sau evolutiile reale sunt, in general ireversibile, rezulta ca si ciclurile respective sunt ireversibile. Ciclurile frigorifice si cele ale pompelor de caldura sunt cicluri inversate, adica consumatoare de energie; prin apropierea proceselor reale ireversibile, de procesele ideale, reversibile, gradul de ireversibilitate al ciclului se reduce, astfel ca, realizarea efectului frigorific (sau caloric) presupune un consum din ce in ce mai redus de energie. Acest consum nu poate scade, insa, sub cel corespunzator unui ciclu ideal, compus numai din evolutii reversibile. Se efectueaza o analiza comparativa a ciclurilor ideale Carnot inversate, pentru instalatii frigorifice (IF), pentru pompe de caldura (PC) si instalatii mixte (IM). Aceste cicluri sunt reprezentate in diagrama T-s, fig. 1, agentul de lucru evoluand in domeniul vaporilor saturati umezi. Cresterea temperaturii de la temperatura de vaporizare T₀, la temperatura ambianta T_a, respectiv de la T_a la temperatura de incalzire T_i, sau de la T₀ la T_i, precum si scaderea temperaturii de la T_a la T₀, de la T_i la T_a sau de la T_i la T₀ este posibila, in conditii de reversibilitate maxima, prin comprimare, si respectiv destindere izentropica. In aceste conditii, ciclul ideal al IF, PC si IM este compus din doua izoterme (2-3, 4-1) si doua adiabate (1-2, 3-4) reprezinta ciclul Carnot inversat.

Marimile caracteristice ale acestui ciclu se determina tinand cont de expresia primului principiu

q = Δh + l_t

- lucrul mecanic tehnic - consumat in comprimarea adiabat reversibila (izentropa), 1-2s

l_c = h_2s - h₁

- lucrul mecanic tehnic efectuat in destinderea adiabata reversibila (izentropa), 3-4:

l_d = h₃ - h₄

- caldura preluata de la sursa rece, in vaporizarea izotermica 4-1:

q = h₁ - h₄ = T₀(s₁ - s₄) = T₀D = aria s₄4ls₁

- caldura cedata sursei calde in condensarea izoterma 2-3:

pentru IF:

q_a = h₂ - h₃ = T_a(s₂ - s₃) = T_aD = aria s₁23s₄

pentru PC si IM:

q_i = h₂ - h₃ = T_i(s₂ - s₃) = T_iD = aria s₁23s₄

Pe acesta baza se exprima bilantul energetic al ciclului Carnot inversat:

pentru IF:

l_minc l_c - l_d = q_a - q₀ = (T_a - T₀)D = aria 12341

pentru PC:

l_minc l_c - l_d = q_i - q₀ = (T_i - T_a)D = aria 12341

pentru IM:

l_minc l_c - l_d = q_i - q₀ = (T_i - T₀)D = aria 12341

care scoate in evidenta faptul ca cel mai mic consum de lucru mecanic l_minc , necesar pentru realizarea efectului frigorific q₀ este definit de aria dreptunghiului delimitat de izotermele T₀ si T_a (IFV), respectiv T_a si T_i (PC) si T₀ si T_i (IM) si izentropele s₂ = s₁ si s₄ = s₃.

Pentru aprecierea acestor instalatii se apeleaza la urmatoarele marimi:

- eficienta frigorifica, la IF:

COP=e_c = (12.1)

- coeficientul de pompare a caldurii (sau eficienta termica sau calorica), la PC:

COP=m_c =

(12.2)

Se observa ca avantajul utilizarii unei pompe de caldura consta in aceea ca, pentru o unitate de energie mecanica consumata, devine posibila introducerea in spatiul incalzit a unei calduri de cateva ori mai mare decat energia mecanica consumata.

- coeficient de performanta (sau eficienta), pentru IM:

COP=j_c = (12.3)

1.2. Schema si ciclul teoretic al IFV

Ciclul ideal Carnot inversat nu poate fi realizat din punct de vedere tehnic din doua motive: comprimarea in domeniul vaporilor saturati umezi ar determina acumularea de lichid in cilindrul compresorului, ceea ce ar conduce la producerea loviturii hidraulice, iar pe de alta parte, detentorul este o masina prea complicata din punct de vedere constructiv pentru lucrul mecanic tehnic de destindere pe care-l produce. De aceea detentorul se inlocuieste cu un sistem mult mai simplu din punct de vedere constructiv, si anume cu un ventil de laminare in care are loc un proces de laminare izentalpica, ireversibila, desfasurata in domeniul efectului diferential Joule-Thomson pozitiv (scaderea presiunii determina scaderea temperaturii). Vaporii saturati umezi obtinuti dupa laminare sunt introdusi in vaporizator.Dupa vaporizare, agentul este aspirat de compresor avand starea de vapori saturati uscati. Astfel, procesul de comprimare se deplaseaza in domeniul vaporilor supraincalziti. In acest caz, temperatura de comprimare depaseste temperatura strict necesara condensarii, ceea ce conduce la aparitia unei ireversibilitati externe a ciclului. In figura 2 sunt reprezentate schema si ciclul teoretic al IFV. Procesele se desfasoara intre doua nivele de presiune: p₀, de vaporizare si p_c, de condensare. Pentru determinarea celor doua nivele de presiune trebuie cunoscuta temperatura de vaporizare t₀, respectiv de condensare, t_c. Se pleaca de la valori cunoscute pentru temperatura apei la intrare, respectiv iesire din condensator (t_ai, t_ae) si pentru temperatura mediului racit la iesirea din vaporizator ().

Diagramele de variatie a temperaturii in condensator, respectiv vaporizator, sunt aratate in figura 3. Pentru a exista transfer de caldura de la mediul racit la agentul frigorific, respectiv de la agent la apa de racire, trebuie sa existe o diferenta minima de temperatura intre cele doua fluide, adica Dt_v Dt_c 5°C.

Rezulta:

t = - Dt_v si t_C = + Dt_C

Utilizand tabele sau diagrame, proprii fiecarui agent de lucru, corespunzator temperaturii de saturatie t₀, rezulta presiunea de saturatie p₀, respectiv, corespunzator temperaturii de condensare t_C, rezulta presiunea de saturatie p_C.

Procesele functionale, dupa cum rezulta din figura 2, sunt:

comprimarea izentropica 1 -2s in compresorul C_p de la p₀ si T₀ pana la p₂, T_2s; depasirea temperaturii de condensare la refularea vaporilor din compresor (T_2s > T_C) este consecinta a deplasarii procesului de comprimare din domeniul umed, in cel supraincalzit. Lucrul mecanic specific de comprimare este dat de:

l_C =

- racirea izobara 2s - 2 , urmata de condensarea izobar-izoterma 2 -3, in condensatorul Cd; sarcina termica specifica la racire-condensare:

q_c = h₂ - h₃ =

laminarea 3 -4 in ventilul de laminare VL determina scaderea presiunii si temperaturii de la p_C, T_c pana la p₀, T₀. In conditii adiabate, si neglijand variatia energiei cinetice a agentului, procesului de laminare este izentropic (h₄ = h₃ ); titlul vaporilor umezi rezultati prin laminare, se obtine din relatia:

h = h₄ = h₁ + x₄(h₁ - h₁ ), adica

- vaporizarea izobar-izoterma 4 - 1 in vaporizatorul Vp este insotita de realizarea efectului frigorific dat de:

q = h₁ - h₄ = aria c41 a = [kJ/kg]

(T-s) (lg p-h)

Pe baza bilantului energetic al intalatiei se ajunge la concluzia ca lucrul mecanic necesar comprimarii este:

l_C q_c - q₀ = h₂ - h₃ - (h₁ - h₄) = h₂ - h₁

Impunandu-se puterea frigorifica Q₀ [kW], debitul de agent frigorific se calculeaza astfel:

[kg/s]

Marimile caracteristice globale al ciclului sunt:

- puterea consumata de compresor:

P_C = l_C [kW]

sarcina termica la condensatorului:

= q_C [kW]

- eficienta frigorifica:

COP= (4)

1.3. Metode de ameliorare a economicitatii la IFV

a) Utilizarea subracitorului cu apa de racire

Imbunatatirea economicitatii IFV se poate obtine introducand in schema instalatiei un schimbator de caldura denumit subracitor, care are rolul de a reduce temperatura agentului frigorific condensat, sub temperatura de condensare, utilizand apa de racire cu temperatura mai coborata (apa de adancime). In acest mod este diminuata influenta negativa a ireversibilitatii procesului de laminare asupra efecientei frigorifice a ciclului.

Aceasta metoda este specifica IFV ce functioneaza cu amoniac.

In figura 4 este prezentata schema si procesele in diagramele "T-s" si "p-h". Influenta subracirii (subracitorul Sr) poate fi evidentiata observand ca puterea frigorifica este, in acest caz, mai mare:

unde q₀ = h₁ - h₄ = , reprezinta puterea frigorifica specifica a ciclului teoretic, iar , este cresterea puterii frigorifice specifice datorita subracirii.

Se determina sarcina termica a subracitorului:

q_sr = h₃ - h₃,

si eficienta frigorifica a ciclului care este mai mare decat in cazul ciclului teoretic

COP = (5)

unde reprezinta cresterea relativa a puterii frigorifice specifice datorita subracirii.

b) Supraincalzira vaporilor aspirati in compresor

In studiul efectuat, s-a considerat ca vaporii aspirati in compresor sunt, teoretic, in stare saturat uscata. Pentru a evita acumularea de picaturi de agent lichid in cilindrul compresorului, se recurge la o supraincalzire a vaporilor inainte de aspiratia in compresor. Vaporizatorul este astfel dimensionat incat dupa vaporizare sa se produca si o suraincalzire a vaporilor.

Este analizat ciclul teoretic al IFV (fig. 5) la care vaporii prezinta un grad de supraincalzire DT_si = T₁ - T₀, realizat in vaporizator inainte de a fi aspirati in compresor. In aceste conditii, puterea frigorifica a agentului este:

,

unde , reprezinta puterea frigorifica specifica fara supraincalzirea vaporilor, iar Dq_0si = h₁ - h₁ =, este cresterea puterii frigorifice    specifice prin supraincalzire.

Dar, existenta supraincalzirii determina deplasarea procesului de comprimare din 1 , in 1-2, acest proces fiind caracterizat de un consum de lucru mecanic specific l = h₂ - h₁, mai mare decat cel al ciclului fara supraincalzire ( l h h si obtinerea unor temperaturi de refulare ridicate. In aceste conditii, eficienta frigorifica a ciclului cu supraincalzire, va fi

COP =     (6)

Comparand aceasta eficienta cu cea a ciclului fara supraincalzire:

COP=     (7)

se constata ca raportul e_f e_f este influentat in mare masura de natura agentului frigorific. Astfel, aceasta supraincalzire se manifesta diferit in cazul amoniacului, respectiv freonilor, datorita faptului ca valoarea exponentului adiabatic pentru freoni, k_F = 1,1 - 1,2 < = 1,3

Deci, valoarea mai ridicata a lui determina cresterea gradului de supraincalzire DT_si, o crestere a temperaturii de comprimare T₂, care afecteaza proprietatile uleiului de ungere, dar si o majorare a consumului de lucru mecanic de comprimare. Prin urmare, cresterea lui DT_si la IFV cu NH₃ conduce la inrautatirea economicitatii instalatiei, reflectata prin scaderea eficientei frigorifice. Aceasta este unul din factorii care limiteaza valoarea supraincalzirii la IFV cu NH₃, la 5 grd.

In cazul freonilor, acest grad de supraincalzire poate fi majorat la valori de (20 30)°C, fara ca aceasta sa afecteze valorile admisibile pentru temperatura de refulare, consumul de lucru mecanic si eficienta frigorifica. Se pot accepta grade de supraincalzire mai mari, astfel ca la o temperatura de vaporizare de -25°C se ajunge, la aspiratia in compresor, al +15°C, iar pentru temperaturi de vaporizare mai coborate, aspiratia are loc la temperaturi pana la 0°C.

c) Utilizarea subracitorului regenerativ

S-a aratat ca in cazul IFV ce folosesc freonii ca agenti frigorifici, este posibil un grad de supraincalzire mai ridicat. Supraincalzirea in vaporizator nefiind rationala din punct de vedere al eficientei transferului de caldura, se utilizeaza un schimbator de caldura in care supraincalzirea se face pe seama subracirii lichidului obtinut in procesul de condensare, pe baza unui transfer (ireversibil) regenerativ de caldura. In figura 12.6 se prezinta schema de principiu cu subracitor regenerativ si procesele functionale in diagramele "T-s" si "lg p-h".

Se observa in fig. 6.a, prezenta in schema a schimbatorului de caldura regenerativ Rg in care lichidul de stare 3 se subraceste pana la temperatura T₃ < T_c, cu DT_sc = T_C - T₃, pe seama supraincalzirii vaporilor din starea 1 pana la temperatura T₁ > T₀, cu DT_si = T₁ - T₀.

Considerand schimbatorul regenerativ izolat adiabat, sarcina termica specifica de supraincalzire, q_si este egala cu cea de subracire, q_sr

q_si = h₁ - h₁ = = q_sr = h₃ - h₃ = (8)

Determinand un grad de supraincalzire optim , (pentru care eficienta frigorifica este maxima), rezulta entalpia si, implicit, temperatura lichidului subracit. Din (12.8), rezulta:

h₃ = h₃ - (h₁ - h₁ (9)

sau, explicitand relatia (9) tinand cont ca h = c_pDT

in care reprezinta caldura specifica medie a vaporilor in intervalul 1 -1, iar c_L, caldura specifica a lichidului in procesul de subracire 3

Puterea frigorifica specifica este:

q = h₁ - h₄,

iar lucrul mecanic specific de comprimare:

l = h₂ - h₁

Deci, eficinta frigorifica a unui astfel de instalatii, este:

(12.10)

In concluzie, aceasta instalatie prezinta urmatoarele avantaje:

- suprafata de transfer de caldura a vaporizatorului este utilizata eficient prin vaporizarea lichidului;

se realizeaza un grad de subracire avansat, care nu se poate obtine cu ajutorul apei de racire;

sunt micsorate pierderile de frig in mediul ambiant prin suprafata conductei de aspiratie, compresorul fiind alimentat cu vapori supraincalziti, care au o temperatura mai ridicata.

Insa, aceasta instalatie este mai complexa din punct de vedere constructiv, prin introducerea in schema a schimbatorului de caldura regenerativ. Pe de alta parte, procesul de transfer de caldura la diferente mici de temperatura din Rg fiind ireversibil, determina aparitia unor pierderi suplimentare, ce duc la inrautatirea economicitatii.