15. DETERMINAREA CARACTERISTICILOR PRINCIPALE ALE UNEI INSTALATII FRIGORIFICE CU COMPRESOR

15.1 Notiuni generale

Frigul artificial a capatat in ultimii ani un rol foarte important, fiind utilizat in industria alimentara, in industria chimica, pentru intensificarea unor procese de reactie, in instalatiile de conditionare sau climatizare, prelucrarea metalelor la temperaturi joase etc.

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.

In functie de temperatura surselor de caldura raportate la temperatura mediului ambiant T_amb, masinile care functioneaza dupa un ciclu inversat se impart in trei grupe.

Daca T = T_amb (T fiind temperatura sursei calde), instalatia are rolul de a mentine temperatura scazuta intr-o incinta si se numeste instalatie frigorifica (1, fig. 15.1). Daca T_o = T_amb (T_o fiind temperatura sursei reci), instalatia reprezinta o pompa de caldura (2, fig.15.1), iar daca T_o< T_amb< T, instalatia este cu ciclu combinat (3, fig.15.1).

Fig. 15.1 Particularizarea ciclului Carnot inversat.

In principiu instalatiile frigorifice absorb caldura de la un corp rece, de temperatura T_o si o cedeaza mediului ambiant. In acest caz, agentul de lucru poarta denumirea de agent frigorific.

Din punct de vedere al agentilor frigorifici utilizati, instalatiile frigorifice pot fi cu aer sau cu vapori. Sunt cunoscuti peste 80 de agenti frigorifici, de o larga raspandire fiind freonii, hidrocarburile si diferiti compusi anorganici, inclusiv apa (tab.15.1).

Dupa principiul de functionare, instalatiile frigorifice cele mai utilizate sunt: a) instalatii cu comprimare mecanica a agentului frigorific;

b) cu comprimare termochimica, numite si instalatii frigorifice cu absorbtie;

c) instalatii frigorifice cu ejectoare.

In prezenta lucrare se trateaza instalatii frigorifice cu vapori cu comprimare mecanica (fig.15.2).

Fig. 15.2 Schema de principiu a instalatiei frigorifice cu compresie 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 q_o de la spatiul refrigerat.

Denumirea	Simbol chimic	Simbol conventional	Masa molara	Constanta de gaz perfect [J/(kgK)]	Densitate [kg/m3N]	Temperatura de topire [oC]
Bioxid de carbon	CO2	-	44,01	189,0	1,97	-56,6
Amoniac	NH3	R171	17,03	488,3	0,771	-77,9
Bioxid de sulf	SO2	-	64,06	129,8	2,93	-75,5
Apa	H2O	-	18,02	-	0,804	± 0,0
Metanul	CH4	-	16,04	518,7	0,717	-182,4
Etilena	C2H4	R1150	28,05	296,6	1,261	-169,5
Etanul	C2H6	R170	30,07	276,7	1,356	-183,3
Propilena	C3H6	-	42,08	198,0	1,915	-185,0
Propanul	(CH3)2 CH2	R290	44,09	188,8	2,019	-188,9
Butanul	C4H10	R60	85,12	143,2	2,668	-159,6
Clorura de metil	CH3Cl	-	50,5	-	-	-77,6
Freoni	CF4	R-14	88,01	-	3,93	-187,0
	CF3Cl	R-13	104,47	-	4,66	-181,0
	CHF2Cl	R-22	86,48	-	3,86	-160,0
	CF2Cl2	R-12	120,92	-	5,40	-155,0
	CH3Cl	R-40	50,49	164,8	2,25	-97,6
	CF2Cl CF2Cl	R-114	170,93	-	7,63	-94,0
	CHFCl2	R-21	102,92	-	4,59	-135,0
	CFCl3	R-11	137,38	-	6,13	-111,0
	CFCl CF2Cl	R-113	187,39	-	8,36	-36,6
	CHCl2-CF3	R123	152,9	54,3	6,42	-107,0
	CH2F -CF3	R 134a	102,0	81,5	5,29	-101,0
	CH3C -Cl2 F	R 141b	117,0	71,0	4,82	-103,5
	CH3C -Cl F2	R 142b	100,5	82,7	4,79	-130,8

Caracteristicile principale ale instalatiilor frigorifice sunt:

a) Capacitatea frigorifica specifica:

q_o = h₁ - h₅ [ kJ/kg ] , (15.1)

b) Caldura cedata in condensator q₁ in valoare absoluta:

| q₁ | = h₂, - h₅ [ kJ/kg ] , (15.2)

deoarece laminarea are loc la entalpie constanta, deci h₄, = h_{5 ,}

c) Lucrul mecanic consumat de instalatie in valoare absoluta:

x l_r x = h₂ , - h₁ [ kJ/kg ] (15.3)

Daca ciclul este cu subracire (fig.15.3), in loc de se inlocuieste ,

Tabelul 15.2 Alte caracteristici ale agentilor frigorifici

Denumirea	Parametrii la fierbere, p = 760 torr			Punctul critic
	t [oC]	r [kg/m3]	lv [kJ/kg]	tk [oC]	pk [bar]
Bioxid de carbon	-78,52	1560	573,1	31,0	73,7
Amoniacul	-33,35	682	1368,5	132,4	113,0
Bioxidul de sulf	-10,01	1458	390,0	157,5	78,8
Apa	+ 100,0	958,3	2258	374,2	221,2
Metanul	-161,5	422	510,0	-82,5	46,4
Etilena	-103,5	569	483,0	9,5	51,2
Etanul	-88,63	546	485,0	32,2	48,9
Propilena	-47,70	612	438,0	91,4	46,0
Propanul	-42,30	583	428,0	96,8	42,6
Butanul	-11,70	596	367,0	133,7	36,7
Clorura de metil	-24,00	370	-	143,1	68,0
R-14	-128,0	1630	135,0	-45,5	37,5
R-13	-81,5	1525	150,0	28,78	38,6
R-22	-40,80	1413	234,0	96,0	49,3
R-12	-29,80	1486	167,0	112,0	41,1
R-40	-24,00	1003	429,0	143,0	66,8
R-144	+ 3,50	1520	146,0	145,7	32,8
R-21	+ 8,92	1405	243,0	178,5	51,6
R-11	+ 23,70	1480	182,0	198,0	43,7
R-13	+ 47,70	1510	144	214,1	34,1
R 123	+ 27,9	1465	171,2	185,2	36,1
R134a	-26,4	1210	210,3	101,0	40,7
R 141b	+ 32,0	1235	225,2	206,1	43,4
R 142b	-9,6	1110	214,7	137,1	42,0

la comprimarea adiabata ireversibila, (transformarea 1-2’): x l_r x = h_2" - h₁ .

d) Eficienta frigorifica reala:

[-] (15.4)

e) Capacitatea frigorifica a instalatiei (Q_o) care reprezinta caldura preluata de agentul frigorific in unitatea de timp de la corpul racit:

[W] (15.5)

unde D este debitul de agent frigorific al instalatiei, in kg/h.

Daca se impune ca o instalatie frigorifica sa realizeze o anumita capacitate frigorifica Q_o, atunci din relatia (15.5) se determina debitul de agent frigorific necesar.

f) Puterea necesara antrenarii compresorului:

[kW] (15.6)

unde: h _m - randamentul mecanic al transmisiei:

h _c - este randamentul compresorului.

Fig. 15.3 Ciclul instalatiei frigorifice cu compresie mecanica de vapori in diagramele T-s si p-h.

15.2 Descrierea instalatiei si mersul lucrarii

Ca instalatie frigorifica, se utilizeaza un frigider ARCTIC (fig.15.4) care functioneaza cu comprimare mecanica (compresor), iar ca agent frigorific foloseste freon 12.

Instalatia se compune dintr-o incinta frigorifica 1, izolata termic fata de mediul ambiant, un compresor 2, un condensator 3, un ventil de laminare 4, un vaporizator 5, conducte de legatura 6 pentru circulatia agentului frigorific si trei termometre pentru masurarea temperaturilor t₁, t₂, si t_5" . De asemenea se presupun cunoscute presiunile p₁ si p₂ din vaporizator si respectiv condensator.

Fig. 15.4 Instalatie frigorifica cu comprimare mecanica de vapori.

La pornirea instalatiei se citeste indicatia contorului cu precizie de trei zecimale, temperatura agentului de lucru in punctele 1, 2’, 5’ a ciclului ( t₁, t_2’, t_5’).

Eficienta frigorifica se determina pe un interval de timp t = 30 min. masurandu-se din 5 in 5 minute temperaturile t₁ , t₂ si t_5" .

Pentru fiecare interval de masurare se calculeaza o temperatura medie t_1m , t_2m si t_5"m .

Avand valorile temperaturilor si cunoscand presiunile p₁ si p₂ , care au valorile p₁ = 1,3 - 1,7 bar, p₂ = 13,7 bar, din diagrama p-h se extrag entalpiile h₁, h₂ si h₅.

Pentru determinarea lui h₅, cunoscand t₃ , p₁ si p₂ , se stabileste punctul 3 in diagrama p-h (fig.15.3). Din 3, pe o izobara-izoterma se gaseste punctul 4 (pe curba lichidului saturat), iar h₅ = h₄ . Entalpia h₂ se determina daca din punctul 1 se duce curba s = ct., pana la intersectia cu izobara p₂ , iar h_5’ tinand seama ca h_5’ = h_4’ .

Cu aceste valori se calculeaza

- capacitatea frigorifica specifica, cu relatia (15.1) ;

- caldura cedata in condensator, cu relatia (15.2);

- lucrul mecanic consumat, cu relatia (15.3);

- eficienta frigorifica, cu relatia (15.4).

Pe baza acestor date se va reprezenta ciclul in diagrama p-h (fig.15.3), iar rezultatele se vor centraliza in tabelul 15.3.

Tabelul 15.3 Valori masurate si calculate

Nr. crt.	Marimea	Simbol	UM	Incercari
				t =0	t =05’	t =10’	t =15’	t =20’	t =25’	t =30’
1.	Temp inaintea compresorului	t1	oC
2.	Temp. inainte de condensator	t2’	oC
3.	Temp. inainte de vaporizator	t5’	oC
4.	Capacit.frigorifica specifica	qo	kJ/kg
5.	Caldura cedata in condensator		kJ/kg
6.	Lucrul mecanic consumat		kJ/kg
7.	Ef. frigorifica	e f	-