Principiul de functionare a instalatiilor frigorifice

Principiul de functionare a instalatiilor frigorifice

Instalatiile frigorifice si pompele de caldura, sunt masini termice care au rolul de a prelua caldura de la un mediu avand temperatura mai scazuta si de a o ceda unui mediu avand temperatura mai ridicata, asa cum se observa si pe schema energetica din figura 1. Acesta poate sa fie considerat cel mai simplu model de instalatie frigorifica, deoarece nu contine nici un element de natura constructiva. Din acest punct de vedere, poate sa fie asimilat cu o 'cutie neagra', a carei functionare va fi analizata in continuare si care urmeaza sa fie "deschisa" pentru a i se studia componenta si a i se releva secretele de proiectare, exploatare si automatizare.

Mediul cu temperatura mai scazuta, de la care se preia caldura este denumit sursa rece, iar mediul cu temperatura mai ridicata, caruia i se cedeaza caldura, este denumit sursa calda. Deoarece au capacitate termica infinita, temperaturile surselor de caldura raman constante chiar daca acestea schimba caldura.

Fluxul de caldura absorbita de la sursa rece a fost notat cu , iar fluxul de caldura cedata sursei calde, a fost notat cu .

Conform principiului doi al termodinamicii, pentru transportul caldurii, in conditiile prezentate, este necesar un consum de energie, notat cu P.

In cazul instalatiilor frigorifice, sursa rece se gaseste sub temperatura mediului ambiant, iar procesul de coborare a temperaturii sub aceasta valoare, este denumit racire artificiala.

Agentul de lucru, care evolueaza in aceste instalatii, este denumit agent frigorific.

Pentru a putea sa preia caldura de la sursa rece, agentul frigorific trebuie sa aiba temperatura mai mica decat aceasta.

In timpul preluarii de caldura de la sursa rece, agentul frigorific se poate comporta in doua moduri diferite:

- se poate incalzi marindu-si temperatura;

- poate sa-si mentina temperatura constanta.

Cele doua posibile variatii de temperatura (t) a agentului de lucru, de-a lungul suprafetelor de schimb de caldura (S), sunt prezentate in figurile 2 si 3. Cu t_r a fost notata temperatura sursei reci, iar sagetile reprezinta sensul transferului termic (de la sursa rece la agentul frigorific).

Este evident ca mentinerea constanta a temperaturii agentului frigorific in timpul preluarii de caldura, este posibila numai in conditiile in care se produce transformarea starii de agregare si anume vaporizarea.

		Fig. 2. Incalzirea agentului de lucru in timpul preluarii de caldura			Fig. 3. Absorbtia de caldura de la sursa rce, cu mentinerea constanta a temperaturii

Relatiile pentru calculul caldurii absorbite (Q0) in cele doua situatii sunt:

[kJ] (1)

pentru cazul fara schimbarea starii de agregare, unde m1[kg] este cantitatea de agent de lucru care se incalzeste, cp[kJ/kgK] este caldura specifica, iar Δt[K] este variatia temperaturii agentului frigorific intre starile de iesire si intrare, in contact termic cu sursa rece, respectiv:

                                           (2)

pentru cazul cu schimbarea starii de agregare, unde m₂[kg] este cantitatea de agent de lucru care vaporizeaza, iar r[kJ/kg] este caldura latenta de vaporizare a agentului frigorific, la temperatura de vaporizare t₀.

Pentru a se realiza un transfer termic eficient, Δt este limitata la cel mult cateva grade.

Schimbul de caldura la diferente finite de temperatura este insotit de ireversibilitati de natura interna si cu cat diferentele de temperatura sunt mai mari, cu atat transferul termic este mai putin eficient. Din aceasta perspectiva este preferabila varianta cu schimbarea starii de agregare, careia ii corespunde o temperatura constanta a agentului frigorific si o diferenta de temperatura constanta, care poate sa fie micsorata prin solutii tehnologice. In varianta fara schimbarea starii de agregare, pentru a absorbi mai multa caldura, este nevoie de o incalzire mai pronuntata a agentului frigorific, insotita si de cresterea diferentei medii de temperatura, fata de sursa rece, deci de un caracter ireversibil mai accentuat. In aceste conditii, pentru orice substanta . Comparand relatiile (1) si (2) apare evident ca pentru a absorbi aceeasi caldura Q₀, fara schimbarea starii de agregare, este necesara o cantitate mult mai mare de agent frigorific, decat in cazul cu schimbarea starii de agregare, deci . Acesta este al doilea motiv pentru care este preferabila varianta cu schimbarea starii de agregare.

Daca se considera cazul functionarii continue a acestor tipuri de instalatii, marimea caracteristica pentru intensitatea transferului termic nu mai este caldura, ci fluxul termic absorbit de agentul frigorific de la sursa rece, sau sarcina termica a vaporizatorului, marime notata cu . Aceasta marime este denumita si putere termica, iar in cazul instalatiilor frigorifice putere frigorifica. Pentru a rescrie relatiile (1) si (2), folosind aceasta marime, cantitatile de agent frigorific, m1 si m2, trebuie sa fie inlocuite cu debitele masice, notate cu respectiv . Daca se impart cele doua relatii la timp, se obtine:

,               [kW] (3)

,                     [kW] (4)

In aceasta situatie, transferul termic dintre sursa rece si agentul frigorific, in conditiile vaporizarii celui din urma, este caracterizat prin debite masice mult mai reduse decat in absenta schimbarii starii de agregare.

Pentru a putea sa cedeze caldura sursei calde, agentul frigorific trebuie sa aiba temperatura mai mare decat aceasta.

In timpul cedarii de caldura catre sursa calda, agentul frigorific se poate comporta, ca si in cazul interactiunii termice cu sursa rece, in aceleasi doua moduri diferite:

- se poate raci micsorandu-si temperatura;

- poate sa-si mentina temperatura constanta.

Cele doua posibile variatii de temperatura (t) a agentului de lucru, de-a lungul suprafetelor de schimb de caldura (S), sunt prezentate in figurile 4 si 5. Cu t_c a fost notata temperatura sursei calde, iar sagetile reprezinta sensul transferului termic (de la agentul frigorific spre sursa rece).

Este evident ca mentinerea constanta a temperaturii agentului frigorific in timpul cedarii de caldura, este posibila numai in conditiile in care se produce transformarea starii de agregare si anume condensarea.

Relatiile pentru calculul caldurii cedate (Q_k) in cele doua situatii sunt:

,                           [kJ], (5)

pentru cazul fara schimbarea starii de agregare, unde m₁,[kg], este cantitatea de agent de lucru care se raceste, cp[kJ·kg-1K] este caldura specifica, iar Δt[K] este variatia temperaturii agentului frigorific intre starile de intrare si iesire, in contact termic cu sursa calda, respectiv:

,                     [kJ], (6)

pentru cazul cu schimbarea starii de agregare, unde m₂,[kg], este cantitatea de agent de lucru care condenseaza, iar r[kJ/kg] este caldura latenta de condensare a agentului frigorific la temperatura de condensare t_k, egala cu caldura latenta de vaporizare la aceeasi temperatura.

Din aceleasi considerente, mentionate la schimbul de caldura cu sursa rece, pentru a avea un transfer termic eficient cu sursa calda, Δt este limitata tot la cel mult cateva grade.

Din nou este preferabila varianta cu schimbarea starii de agregare. Acelasi rationament aplicat in situatia preluarii de caldura de la sursa rece, evidentiaza si pentru cazul contactului termic cu sursa calda, ca este necesara o cantitate mai mica de agent frigorific in varianta cu schimbarea starii de agregare, motiv pentru care iarasi este preferabila varianta cu schimbarea starii de agregare.

Pentru cazul functionarii continue a acestor tipuri de instalatii, utilizand fluxul termic cedat de agentul frigorific sursei calde, sarcina termica, sau puterea termica a condensatorului, marime notata cu si debitele masice, notate tot cu respectiv , impartind relatiile (5) si (6) la timp, se obtine:

,               [kW], (7)

,                     [kW], (8)

Din nou transferul termic dintre sursa de caldura si agentul frigorific, in conditiile schimbarii starii de agregare, este caracterizat prin debite masice mult mai reduse decat in

absenta acesteia.

Acest aspect are implicatii importante asupra intregii instalatii. Debite mai reduse inseamna consumuri de energie mai reduse pentru vehicularea agentului de lucru, diametre mai reduse pentru conducte, respectiv elemente geometrice mai reduse din punct de vedere dimensional, pentru schimbatoarele de caldura.

Din motivele prezentate anterior, in majoritatea covarsitoare a instalatiilor frigorifice si a pompelor de caldura, este preferat transferul termic intre agentul de lucru si sursele de caldura, prin schimbarea starii de agregare.

Cele doua aparate ale instalatiei frigorifice, sau pompei de caldura, aflate in contact cu sursele de caldura, sunt unele dintre cele mai importante parti ale acestor instalatii si se numesc, vaporizator (notat cu V) si condensator (notat cu K).

Efectul util al instalatiilor frigorifice, sau frigul artificial, se realizeaza in vaporizator, prin preluare de caldura de la sursa rece.

Efectul util al pompelor de caldura, se realizeaza in condensator, prin cedare de caldura sursei calde.

Conform principiului doi al termodinamicii, caldura nu poate sa treaca de la sine, de la o temperatura mai scazuta (sursa rece) la una mai inalta (sursa calda), fara un consum de energie (mecanica sau de alta natura) din exterior.

Energia consumata din exterior, pentru functionarea instalatiei, este o putere mecanica sau termica, a fost notata pe figura 1 cu P si se masoara in [kW].

Daca se efectueaza un bilant energetic pentru instalatiile frigorifice, sau pompele de caldura, respectiv daca se aplica principiul intai al termodinamicii, se observa ca suma dintre energiile introduse in sistem, adica sarcina termica a vaporizatorului si puterea P, este egala cu energia evacuata din sistem si anume sarcina termica a condensatorului .

Matematic acest lucru se poate scrie sub forma:

,               [kW], (9)

Temperaturii t₀ la care vaporizeaza agentul frigorific, denumita temperatura de vaporizare, ii corespunde o presiune de saturatie unica, notata p₀ si denumita presiune de vaporizare. Analog, temperaturii t_k la care condenseaza agentul frigorific, denumita temperatura de condensare, ii corespunde o presiune de saturatie unica, notata p_k si denumita presiune de condensare.

In figura 3 se observa ca deoarece agentul frigorific are in orice punct al vaporizatorului temperatura mai mica decat temperatura sursei reci, atunci . Analog, in figura 5 se observa ca deoarece agentul frigorific are in orice punct al condensatorului temperatura mai mare decat temperatura sursei calde, atunci . Pentru ca temperaturile surselor de caldura sunt in relatia evidenta , rezulta clar ca temperatura de condensare este mai mare decat temperatura de vaporizare (), deci este evident ca si . Valorile presiunilor de vaporizare si condensare vor fi asigurate de alte doua aparate care trebuie sa intre in componenta acestor instalatii.

Tinand seama de nivelul de temperatura la care se schimba energie intre agentul frigorific si sursele de caldura, se poate reprezenta, ca in figura 6, o schema a fluxurilor energetice din instalatiile frigorifice si pompele de caldura.

Ca o aplicatie a celor prezentate anterior, se poate arata ca vaporizarea se realizeaza in scopul preluarii de caldura de catre agentul de lucru aflat initial in stare lichida si la farsit in stare de vapori, iar condensarea se realizeaza in scopul evacuarii de caldura de catre agentul de lucru aflat initial in stare de vapori si la sfarsit in stare lichida.