Instalatii frigorifice solare

Instalatii frigorifice solare

Radiatia solara poate constitui sursa primara de energie necesara functionarii unor instalatii de producere a frigului pentru conservarea produselor perisabile, pentru obtinerea ghetii artificiale si pentru conditionarea aerului (climatizare). Utilizarea energiei solare in acest scop este indicata indeosebi in zonele aride dar puternic insolate, private de alte surse de energie. Intr-un climat temperat, cea mai atragatoare aplicatie a instalatiilor frigorifice solare o constituie climatizarea cladirilor, mai ales daca se pot utiliza elementele principale ale unei instalatii solare atat pantru conditionare in timpul verii cat si pantru incalzire in timpul iernii.

Utilizarea energiei solare pentru producerea frigului este favorizata de faptul ca, in general, perioadele in care exista o cerere mai mare de frig coincid cu cele in care radiatia solara este mai abundenta. Totusi, experienta acumulata pana in prezent in domeniul instalatiilor solare de refrigerare este mult inferioara celei din domeniul instalatiilor de incalzire; se spera insa ca in urmatorii ani sa se reduca din acest decalaj.

O analiza a procedeelor si a realizarilor referitoare la instalatiile frigorifice solare a fost facuta de Duffie si Beckman si, mai recent, de Grigoriu. Metodele de producere a frigului cu ajutorul energiei solare pot fi clasificate - dupa tipul de conversie utilizat - in metode folosind procedee mecanice, termoelectrice si termice.

Pentru a produce frig prin procedee mecanice, energia solara este convertita in energie mecanica, iar aceasta, la randul sau, este folosita pentru actionarea unei instalatii frigorifice mai mult sau mai putin uzuale, de tipul cu compresiune.Aici problema principala se pune la primul pas al conversiei; daca acesta poate fi realizat intr-un mod satisfacator economic, se va deschide calea actionarii solare a sistemelor frigorifice cu compresor, care vor inlatura unele dintre neajunsurile celorlalte tipuri de sisteme.

Producerea frigului prin procedee termoelectrice consta in convertirea energiei solare in energie electrica si apoi utilizarea acesteia intr-un refrigerator bazat pe efectul Peltier.De regula, drept converter solar-electric este folosit un generator termoelectric, montat in acelasi agregat cu refrigeratorul termoelectric, dupa schema de principiu din figura urmatoare.

Schema unei instalatii frigorifice

O instalatie frigorifica de acest tip, realizata relativ recent in Australia, foloseste termocuple din materiale semiconductoare pe baza de Bi₂Te₃. Problemele pe care le pune producerea frigului prin procedee termoelectrice sunt legate de tehnologia materialelor semiconductoare si de puterea frigorifica redusa; la acestea se mai adauga si problemele legate de conversia energiei solare in energie electrica.

Practic, producerea frigului cu ajutorul energiei solare - la puteri frigorifice mai importante - se poate realiza folosind instalatii in care energia consumata este sub forma termica, cum sunt instalatiile frigorifice cu ejectie sau cu absorbtie.

Instalatiile frigorifice cu ejectie sunt cele mai simple ca executie si exploatare. Totusi, in literatura nu sunt mentionate realizari practice ale unor astfel de instalatii; aceasta se explica prin valorile scazute ale randamentului de ejectie, care conduc la valori ale eficientei frigorifice mai scazute decat in cazul utilizarii instalatiilor frigorifice cu absorbtie.Imbunatatirea eficientei frigorifice poate fi realizata prin folosirea unui agregat turbocompresor, insa aceasta face ca instalatia sa devina mai scumpa si mai pretentioasa.

De aceea, pana in prezent, in constructia instalatiilor frigorifice solare au fost preferate schemele bazate pe principiul absorbtiei. Aceste instalatii pot fi de doua tipuri: cu absorbtie continua si cu absorbtie intermitenta.
In figura care urmeaza este prezentata schema de principiu a unei instalatii frigorifice solare cu absorbtie continua. Radiatia solara este folosita pentru incalzirea solutiei binare din generatorul de vapori G, in scopul producerii vaporilor de agent frigorific. In schema prezentata, aceasta se realizeaza cu ajutorul unui fluid intermediar, incalzit intr-o instalatie solara; este posibila si incalzirea directa a generatorului de vapori - de exemplu, prin integrarea acestuia intr-un captator plan sau prin dispunerea sa in focarul unui concentrator solar.

Schema de principiu a unei instalatii frigorifice solare cu absorbtie continua:

a. partea de incalzire solara a fluidului intermediar;

b. partea de refrigerare.

Functionarea partii de refrigerare a instalatiei este cunoscuta. Vaporii produsi in generatorul G se condenseaza in condensatorul C, trec printr-un ventil de laminare VL1 si se vaporizeaza la temperatura si presiune scazuta in vaporizatorul V, preluand caldura necesara pentru vaporizare de la mediul care trebuie racit. Vaporii reci produsi in vaporizator trec in absorbitorul A, unde sunt absorbiti de solutia saraca care se reintoarce - trecand printr-un ventil de laminare VL2 - din generatorul de vapori G.

Solutiile binare cele mai indicate sunt:

• solutia hidro-amoniacala, in care amoniacul este folosit ca agent frigorific;
• solutiile apoase de bromura de litiu sau de clorura de litiu, in care apa este folosita ca agent frigorific;
• solutiile in care se folosesc ca agenti frigorifici freoni R21 si R22, avand ca solvent dimetil-eter-tetraetilenglicol sau o substanta organica mai ieftina din familia uleiurilor: dibutilftalat.

Solutia hidro-amoniacala (NH₃-H₂O) - folosita curent in instalatiile frigorifice conventionale, comercializate pana in prezent - are avantajul ca poate fi utilizata intr-un domeniu larg de temperaturi de racire (-70...+ 153C), insa are urmatoarele dezavantaje:

• necesita sisteme de rectificare a vaporilor, deoarece, la presiunile de lucru din sistem, temperaturile de fierbere a apei si a amoniacului sunt relativ apropiate;
• pentru separarea vaporilor de agent frigorific din solutie, in generatorul de vapori, sunt necesare temperaturi care pot fi cu greu atinse folosind captatoarele solare plane actuale (125-170^oC in cazul racirii cu aer a condensatorului si absorbitorului, si 95-120^oC in cazul racirii cu apa).

Cercetarile in domeniul instalatiilor frigorifice solare cu absorbtie continua, folosind NH₃-H₂O, au fost indreptate spre obtinerea unor cicluri care sa foloseasca concentratii mai ridicate de amoniac, cu scopul de a reduce temperaturile necesare incalzirii generatorului de vapori.
La Samarkand, Rusia, este realizat un dulap frigorific care contine doua instalatii frigorifice solare folosind solutii hidro-amoniacale: una cu absorbtie continua si alta cu absorbtie intermitenta. Cu acestea s-a putut mentine in spatiul de racire al dulapului o temperatura sub 6^oC, suficienta pentru pastrarea produselor alimentare usor perisabile.
Solutiile apoase de bromura sau clorura de litiu sunt utilizabile pentru obtinerea unor temperaturi de racire peste circa 6^oC; deci, ele sunt adecvate pentru instalatii de climatizare. Principalul dezavantaj il constituie actiunea coroziva a acestor solutii.

Diferentele de presiuni dintre partile de inalta si de joasa presiune ale sistemelor care folosesc astfel de solutii sunt suficient de scazute pentru a nu mai fi necesara - in cazul instalatiilor mici - o pompare mecanica a solutiei dinspre partea de joasa presiune spre cea de inalta presiune, intoarcerea de la absorbitor la generator facandu-se prin gravitatie. O astfel de posibilitate nu exista in sistemele cu solutie hidro-amoniacala. In plus, daca este folosita apa ca agent de racire a condensatorului si absorbitorului, poate fi scazuta temperatura de incalzire a generatorului de vapori; de exemplu, in cazul solutiilor de LiBr-H₂O, aceasta temperatura poate fi de 75-95°C. Aceasta ar putea face necesar un turn de racire; in schimb, ar permite utilizarea fara dificultati prea mari a captatoarelor solare plane.

Instalatiile de climatizare conventionale, care folosesc LiBr-H₂O, au in general o eficienta frigorifica aproape constanta, la variatii - peste o valoare minima - ale temperaturii generatorului de vapori in domeniul de functionare. Valorile eficientei frigorifice sunt, frecvent, cuprinse in domeniul 0,6 - 0,8.

Initial, experimentarile privind utilizarea energiei solare in astfel de instalatii au fost facute fara a aduce modificari tipurilor comercializate. Ulterior, au fost aduse modificari prin reproiectarea adecvata a generatorului de vapori, fiind studiate si alte aspecte ale proiectarii instalatiilor solare de climatizare.

In figura de mai jos este prezentata schema unei instalatii solare de incalzire si climatizare - folosind apa ca fluid purtator de caldura - inzestrata cu stocare doar pe partea calda. Instalatia poate furniza si apa calda menajera necesara cladirii; in acest scop ea este inzestrata si cu un rezervor de stocare secundar.
De cele mai multe ori, o astfel de instalatie combinata este mai economica decat o instalatie solara destinata numai incalzirii sau numai climatizarii. Studii efectuate pe instalatii solare combinate, utilizate in climate cu veri calduroase, au condus la urmatoarele concluzii:

• aria optima a suprafetei unui captator plan folosit intr-o instalatie combinata este totdeauna superioara celei necesare intr-o instalatie destinata numai incalzirii;
• numarul optim de geamuri obisnuite de sticla ale captatorului este trei (uneori doi), datorita necesitatii de a obtine temperaturi ridicate la generatoarele de vapori ale instalatiilor de climatizare cu absorbtie ;
• inclinarea optima a captatorului este i = l - (0...100), unde l este latitudinea locala.

Schema unei instalatii solare de incalzire, climatizare si furnizare a apei calde menajere