Masini frigorifice, aparate de climatizare a aerului

MASINI FRIGORIFICE, APARATE DE CLIMATIZARE A AERULUI

1 Definitie - sunt instalatii care permit schimbul de caldura de la un ambient cu temperatura mica, la unul cu temperatura mai mare, reprezentand inversul schimbului natural (fig.1)

Ex: frigiderul este instalatia in care caldura din interiorul acestuia este "scoasa" si dispersata in bucatarie.

Acest schimb invers de caldura este posibil doar cu aport de energie din exterior, furnizat unui sistem frigorific. Un sistem frigorific este compus in principal din 4 componente:

Fig.1.

Principial, un aparat de climatizare a aerului este reprezentat ca in figurile 2 si 3.

LEGENDA

1. Compresor

2. Separator de lichid

3. Condensator

4. Ventilator unitate exterioara

5. Tub capilar

6.Evaporator

7. Ventilator unitate interioara

8. Filtru

9. Valva cu 4 cai

10. Robineti izolare

In figurile 2 si 3 sunt prezentate schemele de principiu ale unor agregate cu detenta directa ( fara fluid intermediar). In fig. 2 este un agregat numai pentru racire, iar in fig. 3 unul reversibil ( pompa de caldura).

2. Descrierea componentelor

2.1. COMPRESORUL. Este acel dispozitiv care face posibila realizarea procesului de racire. Acesta aspira gazul la o presiune si o temperatura joasa si il comprima pana la o presiune si o temperatura inalta.

Aceste valori mari ridica punctul de fierbere (implicit si de condensare) al freonului, permitand cedarea de caldura mediului exterior aflat la o temperatura relativ ridicata.

2.2. CONDENSATORUL. Aceasta componenta este parcursa de agentul frigorific (in faza de vapori ) aflat la temperatura si presiune inalta(datorita compresorului). In condensator, vaporii de refrigerant condenseaza, cedand caldura latenta de vaporizare mediului de racire, care poate fi aerul sau apa, in functie de tipul de condensator.

2.3. EVAPORATORUL. Acesta reprezinta elementul instalatiei in care are loc vaporizarea refrigerantului . In urma vaporizarii, agentul frigorific primeste caldura de la aerul din interiorul incaperii, rezultatul fiind racirea acestuia.

2.4. TUBUL CAPILAR. Reprezinta ingustari ale sectiunilor tevilor cu rolul de a asigura laminarea agentului frigorific. Prin aceasta, presiunea refrigerantului scade de la valoarea de condensare la cea de vaporizare .

2.5. VENTILATORUL UNITATII INTERNE. Aspira aerul ambiant si il directioneaza in U.I., iar dupa racire/incalzire, il distribuie in interiorul incaperii.

2.6. VENTILATORUL UNITATII EXTERNE. Asigura circulatia aerului prin U.E. in scopul racirii/incalzirii agentului frigorific.

2.7. SEPARATORUL DE LICHI Are rolul de a preveni ca eventualele particule lichide de refrigerant sa patrunda in compresor. Previne distrugerea compresorului, deoarece lichidul este incompresibil.

2.8. VALVA CU 4 CAI. Are rolul de a permite agregatului sa functioneze in sistem"POMPA DE CALDURA". Acest sistem , datorita inversarii ciclului, permite vaporizarea refrigerantului in Unitatea Externa si transfera cantitatea de caldura absorbita in interior, pentru a incalzi mediul. Cu alte cuvinte , caldura este transmisa in interior datorita fenomenului de condensare si absorbita din exterior prin fenomenul de vaporizare. Pe regim de "RACIRE", bobina valvei cu 4 cai nu este alimentata electric, iar agentul frigorific din compresor ajunge in unitatea externa, unde are loc procesul de condensare.

Pe regim de "POMPA DE CALDURA", bobina valvei cu 4 cai este alimentata electric, in valva se obtureaza calea care duce catre unitatea externa si se elibereaza calea care duce catre unitatea interna.

Astfel, din compresor, agentul frigorific ajunge mai intai in unitatea interna unde condenseaza si in acelasi timp cedeaza caldura mediului ambiant, realizindu-se functia de incalzire.

REZUMAND, putem spune ca schimbul de caldura de la un mediu rece la unul cald, este rezultatul a doua transformari de stare ale refrigerantului :

1- in evaporator, refrigerantul trece de la starea lichida la cea gazoasa, proces care se produce cu aport de caldura din exterior, respectiv din incaperea in care este montata unitatea interna, ceea ce duce la racirea acesteia ;

2 - in condensator, refrigerantul aflat in stare gazoasa , dar la presiune ridicata, trece in starea lichida, prin condensare, cedand mediului de racire (aerul sau apa) caldura pe care o captase in procesul de vaporizare.

Transformarile de mai sus sunt posibile ca urmare a comprimarii vaporilor de refrigerant (prin intermediul compresorului) pana la valori ale presiunii care permit condensarea la temperaturi relativ ridicate si apoi a coborarii presiunii lichidului (prin organul de laminare) pana la valori care permit vaporizarea acestuia la temperaturi relativ coborate.

3. Ciclul de functionare al unui agregat frigorific. Diagrama entalpie - presiune.

EXPLICAREA CICLULUI FRIGORIFIC

Compresorul aspira vapori supraincalziti , in punctul 1, la o presiune inferioara celei de evaporare si, prin procesul de compresie , in punctul 2 vom avea o presiune de 15÷20 bari si o temperatura de 70÷120 C, functie de tipul agentului frigorific si de temperatura exterioara. Energia consumata de compressor pentru a aduce refrigerantul din punctul 1 in punctul 2 este data de diferenta de entropie dintre cele doua puncte.

Intre punctele 2 si 3 avem pierderi de presiune (sarcina) pe tevile dintre refularea compresorului si intrarea in condensator.

In prima parte a condensatorului, intre punctele 3 si 4, refrigerantul se raceste, pastrand o presiune constanta si trece de la stadiul de vapori supraincalziti la cel de vapori saturati, schimband exclusiv CALDURA SENSIBILA cu mediul.

In a doua parte a condensatorului, intre punctele 4 si 5, refrigerantul trece de la stadiul de vapori saturati (Titlul = 100) la stadiul de lichid(Titlul = 0), schimband exclusiv CALDURA LATENTA cu mediul. In timpul acestei transformari de faza (gaz / lichid), presiunea ramane constanta. La fluidele pure sau la amestecurile azeotrope ramane constanta si temperatura.

In ultima parte a condensatorului, intre punctele 5 si 6 , lichidul se raceste in continuare (cu 5÷7 C), trecand in stadiul de lichid subracit. In acest moment se schimba exclusiv CALDURA SENSIBILA.

DECI: in condensator avem doua tipuri de schimb de caldura:

■ (3-4) - sensibila (racirea vaporilor supraincalziti), ce reprezinta 20-30% din totalul schimbului de caldura

■ (4-5) -latenta(condensarea), care reprezinta 60-70% din totalul schimbului Q

■ (5-6) - sensibila(subracire), 10% din totalul Q

Subracirea (5-6) este o componenta importanta a ciclului , deoarece evita ca pierderile de sarcina dintre punctele 6 si 6.1 sa aduca fluidul refrigerant la un titlu mai mare de 0 (sa avem si vapori in componenta acestuia). Valva termostatica lucreaza corect numai cu agent frigorific in stare lichida.

Intre punctele 6 si 7 are loc EXPANSIUNEA refrigerantului, adica trecerea acestuia de la presiunea de condensare la presiunea de vaporizare, temperatura ramanand constanta. (P = 4÷6 bar, T = 0°C,Te = 35°C).

Expansiunea are loc in valva termostatica, in organul de laminare (tubul capilar) si in mai mica masura datorita pierderilor de sarcina pe tevile dintre CONDENSATOR si EVAPORATOR.

La intrarea in EVAPORATOR, refrigerantul are un titlu mai mare de 0. O cantitate de 5÷10% din refrigerant se transforma in vapori la trecerea prin tubul capilar.

In prima parte a EVAPORATORULUI , intre punctele 7 si 8 , se vaporizeaza intreaga cantitate de refrigerant, avand loc un schimb exclusiv de caldura latenta (P = 4÷6 bar, T =0°C).

In ultima parte a evaporatorului, intre punctele 8-9, refrigerantul se incalzeste (cu 2÷10 C), trecand din stadiul de vapori saturati in cel de vapori supraincalziti. Se schimba exclusiv caldura sensibila. Acest proces are rolul de a preveni ajungerea in compresor a refrigerantului lichid, care ar duce la defectarea acestuia. Caldura schimbata in evaporator este data de diferenta de entropie dintre punctele 9 si 1.

Intre punctele 9 si 1 avem pierderi de sarcina (presiune) pe conductele de legatura dintre iesirea din evaporator si aspiratia compresorului.

REZUMAND,vom avea urmatoarele faze:

a. 1-2 - COMPRESIA , P = 15÷19 bar, T = 70÷120 C

In aceasta faza se consuma energie electrica de catre compresor pentru a aduce refrigerantul in conditii de presiune care sa permita condensarea acestuia . Refrigerantul se afla in stare de vapori supraincalziti.

a.     2-3 - PIERDERI DE SARCINA, pe conductele de legatura dintre refularea compresorului si intrarea in condensator. Are loc o scadere a energiei potentiale a refrigerantului.

b.     3-4 - RACIREA VAPORILOR SUPRAINCALZITI; refrigerantul este adus in stare de vapori saturati pentru a permite efectuarea condensarii. Se schimba cu mediul exclusiv caldura sensibila, 20-30% din totalul schimbului de caldura din condensator. P = ct. = 15÷19 bar; T scade pana la valoarea de 50÷60 C.

c.      4-5 - CONDENSAREA ; refrigerantul trece din stare de vapori saturati (T=100) in stare de lichid (T=0). Se schimba exclusiv caldura latenta , 60÷70% din totalul de schimb de caldura. P = ct. = 15÷19 bar;T = ct. - la fluidele azeotropice. La fluidele zeotropice diferenta de temperatura este de 7°C (R-407 c).

d.     5-6 - SUBRACIREA; refrigerantul lichid este racit pana la o valoare de T= 40°C, pentru a avea siguranta ca pierderile de sarcina sa se minimizeze.Acest fenomen favorizeaza functionarea valvei termostatice (P=15÷19 bar,T=40° C).

e.     6-6/1 - PIERDERI DE SARCINA intre condensator si valva termostatica.

f.      6-7 - EXPANSIUNEA; in aceasta faza se realizeaza trecerea refrigerantului de la presiunea de condensare la presiunea de vaporizare. Operatiunea se realizeaza in valva termostatica, in tubul capilar si in tevile de legatura dintre UE si UI. P=4÷6 bar,T=0° C.

In tubul capilar se realizeaza inceperea transformarii de faza lichid / vapori. Titlul fluidului este aproximativ 10 la intrarea in evaporator.

g.     7-8 - VAPORIZAREA; se realizeaza trecerea intregii cantitati de fluid din stare lichida in stare de vapori saturati.(T = 100) P=ct.= 4÷6 bar;T = ct.= 0÷30°C, la fluidele azeotropice. Se schimba exclusiv caldura latenta.

h.     8-9 - SUPRAINCALZIRE ; in partea finala a evaporatorului, vaporii saturati se incalzesc cu 2÷7° C si devin vapori supraincalziti. Se schimba exclusiv caldura sensibila. Aceasta faza are rolul de a nu permite ca refrigerantul lichid sa ajunga in compresor (datorita pierderilor de sarcina dintre punctul 9 si 1) . Agentul frigorific ajuns in faza lichida in compresor, provoaca distrugerea acestuia, datorita faptului ca lichidul este incompresibil. P = 4÷6 bar; T=8÷10°C.

i.  9-1 - PIERDERI DE SARCINA intre evaporator si aspiratia compresorului. Acestea provoaca o crestere a energiei consumate de compresor ptr.a adduce refrigerantul in conditii de efectuare a transformarii de faza vapori / lichi

4. EFICIENTA CICLULUI FRIGORIFIC : EER si COP

Definitie : este raportul intre efectul util obtinut si puterea neta consumata pe ciclu de functionare.

REGIM DE RACIRE : EER=Pev / E* (kw/kw)

EER -rata de eficienta energetica

Pev - puterea data de evaporator

E* - puterea absorbita de compresor, in regim"vara"

REGIM DE INCALZIRE : COP = Pcon / Ai (kw/kw)

COP - coeficientul de performanta

Pcon- puterea data de condensator

Ai - puterea absorbita de compresor, in regim "iarna"

Din diagrama presiune / entalpie vom obtine:

EER = COP =

Dar, dupa cum se vede in diagrama din fig. 4 :

(H3-H6)=(H9-H7) + (H2-H1)

De aici rezulta :

COP = = EER + 1

Aceasta relatie matemetica face referire la un ciclu frigorific ideal. In realitate , la un ciclu frigorific trebuie sa tinem cont de urmatoarele:

eficienta schimbatoarelor

pierderile de sarcina

randamentul compresorului

Functie de temperaturi vom avea urmatoarele relatii:

EER = COP =

T_F -temperatura sursei reci (evaporator)

T_C - temperatura sursei calde (condensator)

Din diagrama presiune / entalpie (Fig. 4) , raportandu-ne la aceleasi puncte si tinand cont si de randamentul compresorului, vom obtine:

EER = η_comp COP = η_comp

η_comp - randamentul compresorului   

5. CLASIFICAREA MASINILOR FRIGORIFICE

Aceasta se realizeaza functie de tipologia raportului surse / medii (cald si rece

5.1. EXPANSIUNE DIRECTA - cazul in care sursa rece (regim vara) sau calda (regim iarna) este aerul din interiorul camerelor pe care le climatizam, transferul de caldura facandu-se direct intre acesta si refrigerant prin intermediul vaporizatorului (vara) sau condensatorului (iarna). Vezi fig. 5 .

Conditionatoarele cu expansiune directa mai sunt denumite si Conditionatoare Autonome, deoarece contin toate elementele unui sistem frigorific, spre deosebire de racitoarele de lichi Cel mai edificatory exemplu este sistemul SPLIT compus din doua unitati - EXTERNA si INTERNA.

5.2. EXPANSIUNE INDIRECTA (RACITOR DE LICHID sau GRUP FRIGORIFIC) - In acest caz apare un fluid intermediar - APA - care este sursa rece (regim vara), sau sursa calda (regim iarna). Apa este racita in Grupul Frigorific(Chiller) si este transmisa prin intermediul Grupului de Pompare la Terminale (ventilo-convectoare sau centrale de climatizare), unde are loc un al doilea schimb de caldura APA / AER (Fig.6)

DIFERENTE INTRE CONDENSAREA CU AER SI CONDENSAREA CU APA

1. - AVANTAJELE CONDENSARII CU APA - rezultate mai bune din urmatoarele motive:

a.1.- schimbatoarele de caldura refrigerant / apa au un randament mai bun si gabarit mai redus. La aceeasi temperatura a sursei externe (reci / calde), temperatura de condensare la schimbatoarele refrigerant / apa este cu circa 10°C mai mare decat la schimbatoarele refrigerant / aer. Rezulta un consum energetic mai redus.

a.2.- in functionarea pe sistem "Pompa de caldura", temperatura apei este superioara celei a aerului si nu sunt necesare ciclurile de dezghetare. Rezulta deci consumuri energetice mai mici, deoarece nu mai este folosita caldura din interior pentru dezghetarea unitatii externe.

a.3.- conditionatoarele cu expansiune directa au limitata distanta dintre U.I. / U.E., astfel:

Lech = 40 m, randamentul scade cu 10%

Lech = 120m, randamentul scade cu 25%

Lech = reprezinta lungimea echivalenta a circuitului frigorific. In general este de 3-4 ori mai mare decat lungimea reala.   

1 cot la 90° = 2m

1 robinet = 8m

1 valva sens = 9m

a.4- controlul temperaturii ambientale este mai bun datorita posibilitatii de montare a unei vane de amestec modulante.

a.5. -conditionatoarele cu expansiune directa de uz curent tind sa scada mult nivelul umiditatatii relative din incaperi (senzatie de uscaciune a aerului), cu consecinte in confortul oamenilor.

a.6 - conditionatoarele cu expansiune directa nu pot sa lucreze cu un aport de aer proaspat din exterior mai mare de 20-30% din debitul de refulare al acestora, in vreme ce la cele cu expansiune indirecta acest aport nu este limitat.

2. -DEZAVANTAJE ALE CONDENSARII CU APA

b.1. -complexitate mai mare a echipamentelor

b.2. - aerul este gratuit, apa nu este, rezulta costuri suplimentare

b.3. - trebuie sa adaugam la consumul energetic si pe cel necesar pentru pomparea apei in circuit

b.4. - flexibilitatea mai mica fata de sistemele cu expansiune directa (condensare cu aer)

b.5. - sunt necesare 2 schimburi de caldura: -refrigerant / apa

-apa / aer ambiental, cu consecinte de

pierderi energetice suplimentare

CLASIFICARE FUNCTIE DE TIPUL FLUIDULUI TRATAT

6. PERSPECTIVE

6.1.RECUPERARE TERMICA

Circuitul frigorific transfera caldura de la o sursa rece la o sursa calda. In regim "vara", aceasta caldura se disperseaza in exterior, in mod obisnuit. Exista sisteme care recupereaza caldura dispersata in timpul procesului de condensare. Aceasta caldura poate fi folosita pentru prepararea apei calde menajere. Sunt doua tipuri de sisteme:

a.- cu recuperare partiala, de circa 20 - 30% din totalul puterii frigorifice. In acest caz se recupereaza caldura cedata in timpul fazei de racire a vaporilor supraincalziti in condensator (faza 3-4 din diagrama presiune / entalpie - v. fig.4). Se recupereaza exclusiv caldura sensibila.

b.-cu recuperare totala, cand se recupereaza toata caldura din timpul procesului de condensare (fazele 3 - 4; 4 - 5; 5 - 6). Schimbatorul este special conceput si inlocuieste complet condensatorul. Se recupereaza atat caldura sensibila cat si cea latenta.

6.2.CONCEPTUL DE RACIRE LIBERA (DIRECTA) (FREE-COOLING)

Se foloseste in general in sisteme (ambiente) tehnologice, unde chiar si pe timp de iarna este necesara racirea aerului. Sunt doua tipuri de astfel de sisteme:

a.     - direct - cu aer prelevat din exterior, care este amestecat cu aerul intern, astfel incit sa se obtina o temperatura dorita.

b.     - aerul extern raceste apa dintr-un circuit, inainte ca aceasta sa fie introdusa intr-un evaporator pentru a raci mediul ambient.