MASINI FRIGORIFICE, POMPE DE CALDURA
Utilizarea aerului pentru producerea frigului reprezinta un proces foarte interesant, mai ales in contextul necesitatii inlocuirii CFC-urilor cu agenti frigorifici ecologici. Pentru producerea frigului cu ajutorul aerului se foloseste ciclul deschis Joule. In cadrul acestui ciclu, calitatea compresorului si a detentorului influenteaza foarte puternic eficienta economica a procesului.
Din punctul de vedere al evolutiei istorice,
prima oara cand au fost dovedite avantajele acestui proces de producere a
frigului a fost in anul 1834, cand Perkins a patentat masina frigorifica cu
vapori reci din cauza faptului ca etileterul utilizat pana atunci era exploziv.
Intre 1834 si 1876 (cand Linde a introdus amoniacul drept agent frigorific),
multe companii produceau masini frigorifice cu aer rece pentru diverse
utilizari. Astfel de instalatii dotate cu compresoare cu piston au fost
utilizate de catre Bell-Coleman in
In anii '30 ai secolului XX s-au dezvoltat foarte mult turbo-masinile de mare eficienta, si aceasta evolutie tehnologica a deschis noi perspective si pentru masinile frigorifice cu aer rece, asa dupa cum a demonstrat Plank in 1949. Turbo-masinile au dovedit ca au randamente mai bune decat compresoarele cu piston, si astfel promiteau coeficienti de performanta mai buni pentru masinile frigorifice cu aer rece.
Procesul cu aer rece nu s-a putut impune insa in fata procesului cu comprimare de vapori reci pentru domeniul climatizarii si al frigului tehnologic. Acest proces - desfasurat dupa ciclul Joule - s-ar fi putu 323j99d t utiliza numai in domeniul climatizarii avioanelor, acolo unde se cerea o greutate redusa a instalatiei, iar turbo-compresorul era deja disponibil in motorul cu reactie. De asemenea, alte exemple de utilizare ale procesului cu aer rece sunt:
Procesul real cu aer rece pentru producerea
frigului (in cazul comprimarii si destinderii reale)
Daca se studiaza procesul care cuprinde fenomenele reale de comprimare si destindere, caracterizate de o deviere a proceselor de comprimare si destindere in raport cu schimbarea de stare izentropica, coeficientul de performanta rezulta:
(
3 )
in care hV si hE reprezinta randamentele izentropice ale compresorului si detentorului. Din aceasta ecuatie se poate observa dependenta coeficientului de performanta de randamentele izentropice ale ambelor masini. Astfel, coeficientul de performanta maxim nu va mai fi obtinut in mod necesar la cel mai mic raport de comprimare. Coeficientul maxim de performanta depinde deci de randamentele izentropice ale masinilor (compresor si detentor), si poate sa apara deci si la alte rapoarte de comprimare. Acest raport de comprimare este:
Compresoare si
detentoare
In continuare sunt prezentate modalitatile de realizare ale compresoarelor si detentoarelor. La alegerea acestora trebuie avut in vedere faptul ca ele trebuie sa fie de tipul "fara ungere", deoarece - in caz contrar - ar trebui prevazute dispozitive complicate de separare a uleiului.
Compresoarele
volumice
O alternativa la cele prezentate pana acum o reprezinta combinatia dintre un asa-numit rotor cu palete (care poate fi atat compresor, cat si detentor) cu un compresor suplimentar de dimensiuni mai mici. O astfel de masina a fost utilizata in 1939 in Elvetia, functionand ca pompa de caldura si realizand coeficienti de performanta de ordinul 2,4...2,6, ceea ce este cu atat mai remarcabil cu cat teoria functionarii rotorului cu palete a fost pusa la punct de-abia in anii '50 si '60.
Masina frigorifica cu aer rece se recomanda ca posibila alternativa in inlocuirea CFCurilor. Principalele domenii posibile de utilizare sunt:
- deschis
- ermetic
Compresoare medii
- deschis
- ermetic
Compresoare mici <
- deschis
- ermetic
Compresorul este caracterizat prin vibratii reduse, o ungere simpla, lipsa de racire a compresorului si de ungere în interior. Performantele compresorului sunt crescute si din cauza transferului de caldura spre vaporii aspirati si scaparilor reduse de gaz prin neetanseitati. Tolerantele între piston si cilindru sunt foarte reduse.
Aceste compresoare se folosesc la frigidere casnice si aparatele de aer conditionat cu puteri frigorifice pâna la 5 kW.
În tabloul de mai jos se indica unele caracteristici constructive pentru un asemenea compresor rotativ utilizat într-un aparat de climatizare split si pompe mici de caldura.
- turatia compresorului: 3450rot./min.;
- agent frigorific: R22;
- temperatura de condensare: 550C;
- temperatura de vaporizare: 70C;
-putere frigorifica: 3,5kW;
-coeficient de performanta: 3,22;
- putere consumata de compresor: 1090W.
Compresoare de acest tip de puteri mari au fost construite de firma Escher-Wyss sub denumirea de "Rotasco". Acest tip a fost montat si în România, la instalatia de aer conditionat de la Sala Palatului, care apoi au fost demontate dupa o exploatare de aproximativ 30 de ani.
1.1.3.2. Compresoare celulare, cu lamele culisante în stator
În figura 4.11 se prezinta schema unui asemenea compresor.
Figura 1.11. Compresorul rotativ celular (cu lamele culisante în rotor)
cilindru (stator);
rotor (piston
rotativ);
lamele culisante;
galerie aspiratie
vapori;
supape refulare;
În acest compresor pistonul 2 este montat
excentric fata de axa cilindrului si este tangent la aceasta.
Spatiile de vapori ce se comprima prin reducerea volumului sunt
separate prin lamele ce culiseaza în rotor sub influenta fortei
centrifuge. Numarul lamelelor culisante în rotor sunt cuprinse între 2
si 8. Supapele pot sa lipseasca. În anumite constructii
sunt prevazute supape de refulare pentru a preîntâmpina rotatia
inversa si colectarea de ulei în timpul opririi. Aceste compresoare
se utilizeaza drept compresoare "booster" în instalatiile în mai
multe trepte. Rapoartele de comprimare ajung la valori de si
diferentele de presiune între
. Aceste compresoare sunt foarte bine echilibrate si
necesita spatii de montaj mai reduse decât cele cu piston cu
miscare rectilinie alternativa. Compresoarele cu puteri între
lucreaza într-o
singura treapta, la temperaturi de saturatie între
si la temperaturi
de condensare pâna la
. Drept compresor booster se aplica la temperaturi sub
. Agentii frigorifici uzuali sunt: R22, R404a, R717.
1.1.3.3. Compresoare cu surub, cu doua rotoare (Twin-screw compressors)
Aceste compresoare au fost realizate în 1934 de Alf J.R. Lysholn la Societatea Ljungstrom-Dampfturbinen si construite la început de firma suedeza Svenska Rotor Maskiner A.B. Compresoarele cu surub sunt destinate realizarii de puteri frigorifice de la 70 kW la 4600 kW.
Acest compresor consta în doua rotoare cu profil elicoidal, unul principal (tata) si altul secundar (mama), primul antrenând pe cel de al doilea, cu o galerie de aspiratie si alta de refulare. În figura 12 se prezinta schema de principiu a compresorului si procesul de comprimare. Combinatia de dinti între cele doua rotoare este 4 la rotorul principal, 6 la rotorul secundar, 5+6, 5+7. La 4 dinti la rotorul principal de exemplu, acesta se roteste cu 3600 rot./min.; rotorul secundar cu 6 dinti se va roti cu 2400 rot./min. Rotorul secundar poate fi rotit de un cuplaj cu roti dintate cu sincronizare sau direct pe rotorul principal cu un filtru subtire de ulei de ungere.
a).
b).
Figura 1.12. Compresorul cu surub cu doua rotoare
schema
constructiva
proces de comprimare
Aceste compresoare sunt dimensionate sa realizeze rapoarte de compresie mici, sub 2:1 si rapoarte foarte mari, peste 20:1. Procesul de compresie consta în urmatoarele: când rotoarele încep sa se roteasca, o depresiune apare în spatiul dintre rotoare si vaporii intra prin galeria de aspiratie. Când miscarea rotoarelor creste interspatiul dintre rotoare creste, si vaporii curg continuu în compresor si umplu lungimea spatiului dintre dinti. Acesti vapori sunt comprimati prin reducerea volumului pâna la presiunea de evacuare. Alte spatii dintre dinti sunt umplute cu vapori si evacuati.
De exemplu, la rotatia cu 3600 rot./min. a rotorului principal, se umplu 4 volume interdinti cu vapori si se produc 14400 descarcari pe minut. Curgerea vaporilor va fi continua.
Capacitatea frigorifica a compresorului poate varia continuu de la 100 % la mai putin de 10 %. La functionarea cu sarcina variabila coeficientul de performanta al compresorului este bun; compresoarele pornesc în gol si siguranta în exploatare ramâne ridicata. Aceste cerinte sunt asigurate prin variatia lungimii de compresie si a turatiei. Acest reglaj se realizeaza printr-o clapeta ce produce o scurcircuitare (by-pass) a unui debit de vapori, asa cum rezulta din figura 13.
Figura 1.13. Sistem de descarcare prin clapeta culisanta a debitului de vapori
Gradul de compresie este determinat de pozitia orificiilor de aspiratie si refulare. Presiunile de aspiratie si de refulare trebuie sa corespunda presiunilor de vaporizare si de condensare. Compresorul nedispunând de supape de refulare, presiunile de refulare pot fi mai mici sau mai mari decât presiunea de condensare. Aceste abateri conduc la scaderea eficientei compresorului. Pentru o buna eficienta este necesara fixarea unui raport de volume. Constructorii de compresoare prevad în acest scop trei sau patru orificii de descarcare ce corespund conditiilor frecvente functionale.
Raportul de volume cerut de o aplicatie practica se determina astfel:
Raportul de comprimare pentru un sistem frigorific:
(4.16)
unde:
presiunea de
aspiratie asteptata;
presiunea de refulare
asteptata.
Raportul de compresie este functie de raportul volumelor, daca procesul de compresie este izentrop:
(4.17)
unde,
volumele de aspiratie
si refulare în conditiile functionale "
"
indicele adiabat de
compresie
Apoi se alege compresorul care sa satisfaca conditia:
(4.18)
În timpul functionarii unele compresoare pot sa ajusteze raportul volumelor de compresie pentru a realiza un raport eficient pentru orice presiuni întâlnite.
La aceste compresoare injectia de
ulei este folosita în trei scopuri: etansare între spatiul de
refulare si de aspiratie, racirea vaporilor comprimati
si ungerea. Uleiul umple toate spatiile neetanse din jurul
rotoarelor, acest fapt facând posibila atingerea de eficiente
volumetrice (coeficientul de debit) ridicate, chiar la rapoartele ridicate de
comprimare. Se subliniaza ca un compresor normal are coeficienti
de debit ce depasesc 85 % la rapoarte de comprimare într-o
treapta de 25:1 (agentul frigorific - amoniacul). Uleiul raceste
vaporii comprimati si refulati la temperaturi sub , la rapoarte mari de comprimare fara pericolul
degradarii agentului frigorific si a uleiului de ungere. În
acelasi timp uleiul serveste la ungerea lagarelor, a sistemelor
de etansare si a ariilor de contact a rotoarelor.
Uleiul injectat trebuie sa fie
separat din vapori si racit. Separarea uleiului trebuie sa
conduca la un continut de ulei sub ulei în agentul
frigorific în circulatie.
Injectia de ulei se realizeaza
fie cu ajutorul unei pompe ce asigura suprapresiuni de la
fata de
presiunea de refulare a vaporilor de agent frigorific, fie automat, pe baza
diferentei de presiune între uleiul din rezervorul de ulei, în care este
presiunea de refulare si presiunea din zona de comprimare.
Racirea uleiului de ungere se face prin trei metode:
- Injectarea de agent frigorific
lichid, în vapori ce sunt comprimati. Cantitatea de lichid injectat
corespunde la din volumul de
compresie si este dictata de temperatura de refulare a vaporilor.
Amestecul de lichid si ulei se poate scurge prin dintii rotoarelor
spre zona cu presiune mai scazuta si conduce la cresterea
presiunii si reducerea debitului de vapori aspirati. Lichidul
injectat se va vaporiza si vaporii formati trebuie recomprimati
si astfel creste consumul de putere pentru compresie. Compresoarele
au orificii de injectie de lichid în zona finala de comprimare pentru
a reduce consumul de putere de comprimare si scaderea debitului de
vapori aspirati.
- Preluarea de lichid din rezervorul
de agent frigorific cu o pompa si injectarea în linia de refulare a
compresorului. Consumul de putere al pompei de refulare este de aproximativ la puteri ale
compresoarelor pâna la
.
- Racirea uleiului în afara compresorului, între rezervorul de ulei si punctul de injectie. În acest scop se folosesc diverse tipuri de schimbatoare de caldura si agentul de racire poate fi: circuitul separat de apa de racire, apa de racire utilizata si la condensare, aer, agentul frigorific lichid etc. În aceste conditii se face coordonarea cu dimensionarea restului echipamentelor (a condensatorului) si a consumurilor de puteri ale compresorului.
Compresoarele surub cu doua rotoare sunt prevazute cu un orificiu suplimentar de aspiratie, între aspiratia principala si refulare. Prin acest orificiu se aspira vapori de la alti consumatori, de la subracirea de lichid care se cheama economizor.
Presiunea vaporilor aspirati prin acest orificiu este superioara presiunii primare de aspiratie. La compresorul cu economizor, o parte din lichidul de presiune mare este vaporizat prin destindere pâna la aspiratia din orificiul suplimentar, caldura fiind preluata de la restul lichidului, care se subraceste si în acest fel creste puterea frigorifica a instalatiei.
Aceste compresoare se construiesc si
sub forma ermetica si semiermetica, pâna la presiuni
de , folosind drept agent frigorific R22.
Fiindca compresorul nu are supape si nici spatiu vatamator, o racire buna a vaporilor, rezulta coeficienti de debit ridicati asa cum am subliniat si mai sus. Sunt de luat în consideratie scapari de agent din spatoil cu presiune mare în cel cu presiune redusa.
In figura 4.14 se indica valorile coeficientilor de debit si a randamentelor efective ale compresoarelor cu surub cu doua rotoare dupa ASHRAE-Handbook
Figura 1.14. Curbele de eficienta ale compresorului surub cu doua rotoare
agent frigorific amoniac;
agent frigorific R 22.
Din diagrama rezulta ca coeficientul de debit nu variaza mult ca raportul volumelor de comprimare, pe când variatia randamentului efectiv este însemnata.
1.1.3.4. Compresor cu surub, cu un singur rotor (single-screww compressor)
Aceste compresoare au aparut sub licenta Zimmern si realizate pentru început de firma Grasso-Stacon B.V.
Aceste compresoare
se utilizeaza pentru producerea de frig si de aer conditionat
si realizeaza rapoartele de comprimare peste într-o treapta
si puteri frigorifice cuprinse între
.
Compresorul mono-surub consta dintr-un rotor cilindric elicoidal si o pereche de roti dintate. Rotile dintate sunt identice, de forma globoida.
Procesul de compresie a compresorului se poate divide în trei faze: aspiratia, compresia si evacuara, conform figurii 4.15.
Figura 1.15. Compresor cu surub cu un singur rotor
Aspiratia. În timpul rotatiei rotorului principal, un canal dintre dintii elicoidali si camera de aspiratie se umple treptat cu vapori. Dintii rotilor dintate ce intra în canalul rotorului principal actioneaza ca un piston ce aspira vapori.
Compresia. La rotirea rotorului canalul acestuia antreneaza un dinte al rotii si este apoi acoperit cu vapori în spatiul din jurul rotorului si carcasa. În continuare volumul scade si se produce compresia.
Evacuarea. Atunci când canalul rotorului ajunge în dreptul deschiderii se produce evacuarea vaporilor, pâna la reducerea la zero a volumului. În figura 4.16 se prezinta doua vederi ale configuratiei rotorului principal, roti dintate si spatii de aspiratie si refulare.
Figura 1.16. Schema configuratiei ansamblului de compresie la mono-surub
Schema configuratiei ansamblului de compresie la mono-surub.
Este de subliniat ca lagarele rotorului sunt solicitate simetric din cauza unui egalizator de presiune în rotor.
Compresorul este prevazut cu o injectie de ulei pentru racirea vaporilor comprimati; pentru etansarea dintre spatiile cu presiuni diferite si pentru ungerea lagarelor; uleiul injectat serveste si la actionarea sistemului de reglaj a puterii frigorifice si pentru reducerea nivelului de zgomot produs de compresor.
În figura 4.17 se prezinta sistemul de injectie a uleiului si circuitul agentului frigorific.
Figura 1.17. Schema circuitului de ulei si agent frigorific la compresorul mono-surub
Sistemele de injectie de ulei sunt similare celor de la compresorul cu doua suruburi. Aceste compresoare sunt prevazute cu economizor care conduce la cresterea eficientei, asa cum rezulta din figura 4.18, diagrama preluata din ASHRAE - Handbook.
Figura 1.18. Cresterile capacitatii si eficientei (COP) compresorului cu economizor
Figura 1.19. Ciclul termodinamic teoretic frigorific, cu compresor cu economizor
În figura 1.19 se
prezinta ciclul termodinamic teoretic frigorific cu compresor cu
economizor cu separator de lichid. Dupa condensare, lichidul se
lamineaza pâna la o
presiune intermediara "
". Vaporii rezultati dupa laminarea de stare
, sunt aspirati de compresor, prin orificiiile
compresorului. Lichidul cu starea
intra în
vaporizator, printr-un organ de laminare si puterea frigorifica
realizata va fi superioara, decât în situatia fara
economizor.
În figura 4.19,
procesele si
reprezinta
procesele ideale de comprimare în cele doua trepte si
si
reprezinta
procesele reale de comprimare.
Compresorul are
doua camere de compresie, fiecare cu pistoane individuale de reglaj.
Vaporii din separator pot fi introdusi prin orificiile economizorului în
oricare din camerele de compresie. Ca si la compresorul bi-surub,
raportul de compresie se defineste functie de raportul de volum, , care reprezinta volumul canalului rotorului la
aspiratie si volumul canalului la începerea procesului de evacuare a
vaporilor. Raportul de volum depinde de dimensiunea si forma canalului de
evacuare. Pentru eficienta maxima se impune ca presiunea de evacuare
sa fie egala cu contrapresiunea de pe conducta de refulare la
condensator.
Daca presiunea de evacuare este mai mare sau mai mica decât contrapresiunea, apar pierderi interne care conduc la cresterea puterii consumate, a gradului de zgomot si la scaderea eficientei.
Se recomanda aceeasi relatie a transformarii adiabatice:
(4.19)
(4.20)
Asa cum aratam la compresorul bi-surub, exista dispozitive constructive de sincronizare a presiunii de evacuare si a contrapresiunii.
Reglajul
capacitatii compresorului se realizeaza continuu, de la la
, cu ajutorul celor doua pistoane care prin deplasare
scurtcircuiteaza o parte din vaporii de pe partea de compresie pe partea
de aspiratie.
Aceste compresoare se caracterizeaza prin coeficienti de debit si randamente izentropice ridicati, ca urmare a compresiei interne a lipsei supapelor de aspiratie si refulare si volum redus al spatiului de evacuare.
Drept agent frigorific se folosesc agentii halogenati, amoniacul si hidrocarburile.
Se folosesc si
sub forma de compresoare semiermetice cu aplicatii mari în supermarketuri.
Asemenea compresoare cu injectie de ulei sunt utilizate în
conditionarea aerului si ca pompe de caldura pentru puteri
frigorifice cuprinse între . Ele se caracterizeaza prin zgomot si
vibratii reduse.
|