MASINI FRIGORIFICE, POMPE DE CALDURA

PROCESE CU AER RECE

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.

Scurt istoric

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 Glasgow pentru racirea carnii pe vapoare. Aceste echipamente erau insa scumpe, consumau multa energie si ocupau mult spatiu pentru montaj.

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 h_V si h_E 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.

Turbocompresoare

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.

Concluzii

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 īn interior. Performantele compresorului sunt crescute si din cauza transferului de caldura spre vaporii aspirati si scaparilor reduse de gaz prin neetanseitati. Tolerantele īntre piston si cilindru sunt foarte reduse.

Aceste compresoare se folosesc la frigidere casnice si aparatele de aer conditionat cu puteri frigorifice pāna la 5 kW.

Īn tabloul de mai jos se indica unele caracteristici constructive pentru un asemenea compresor rotativ utilizat īntr-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 īn Romānia, 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 īn stator

Īn figura 4.11 se prezinta schema unui asemenea compresor.

Figura 1.11. Compresorul rotativ celular (cu lamele culisante īn rotor)

cilindru (stator);

rotor (piston rotativ);

lamele culisante;

galerie aspiratie vapori;

supape refulare;

Īn 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 īn rotor sub influenta fortei centrifuge. Numarul lamelelor culisante īn rotor sunt cuprinse īntre 2 si 8. Supapele pot sa lipseasca. Īn anumite constructii sunt prevazute supape de refulare pentru a preīntāmpina rotatia inversa si colectarea de ulei īn timpul opririi. Aceste compresoare se utilizeaza drept compresoare "booster" īn instalatiile īn mai multe trepte. Rapoartele de comprimare ajung la valori de si diferentele de presiune īntre . Aceste compresoare sunt foarte bine echilibrate si necesita spatii de montaj mai reduse decāt cele cu piston cu miscare rectilinie alternativa. Compresoarele cu puteri īntre lucreaza īntr-o singura treapta, la temperaturi de saturatie īntre si la temperaturi de condensare pāna 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 īn 1934 de Alf J.R. Lysholn la Societatea Ljungstrom-Dampfturbinen si construite la īnceput 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 īn doua rotoare cu profil elicoidal, unul principal (tata) si altul secundar (mama), primul antrenānd pe cel de al doilea, cu o galerie de aspiratie si alta de refulare. Īn figura 12 se prezinta schema de principiu a compresorului si procesul de comprimare. Combinatia de dinti īntre 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 īn urmatoarele: cānd rotoarele īncep sa se roteasca, o depresiune apare īn spatiul dintre rotoare si vaporii intra prin galeria de aspiratie. Cānd miscarea rotoarelor creste interspatiul dintre rotoare creste, si vaporii curg continuu īn compresor si umplu lungimea spatiului dintre dinti. Acesti vapori sunt comprimati prin reducerea volumului pāna 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 īn gol si siguranta īn exploatare ramāne 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 nedispunānd de supape de refulare, presiunile de refulare pot fi mai mici sau mai mari decāt 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 īn 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 īn conditiile functionale ""

indicele adiabat de compresie

Apoi se alege compresorul care sa satisfaca conditia:

(4.18)

Īn timpul functionarii unele compresoare pot sa ajusteze raportul volumelor de compresie pentru a realiza un raport eficient pentru orice presiuni īntālnite.

La aceste compresoare injectia de ulei este folosita īn trei scopuri: etansare īntre spatiul de refulare si de aspiratie, racirea vaporilor comprimati si ungerea. Uleiul umple toate spatiile neetanse din jurul rotoarelor, acest fapt facānd 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 īntr-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. Īn 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 īn agentul frigorific īn 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 īntre uleiul din rezervorul de ulei, īn 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, īn 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 īn 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 īn linia de refulare a compresorului. Consumul de putere al pompei de refulare este de aproximativ la puteri ale compresoarelor pāna la .

- Racirea uleiului īn afara compresorului, īntre rezervorul de ulei si punctul de injectie. Īn 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. Īn 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, īntre 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 pāna la aspiratia din orificiul suplimentar, caldura fiind preluata de la restul lichidului, care se subraceste si īn acest fel creste puterea frigorifica a instalatiei.

Aceste compresoare se construiesc si sub forma ermetica si semiermetica, pāna 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 īn consideratie scapari de agent din spatoil cu presiune mare īn 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 cānd variatia randamentului efectiv este īnsemnata.

1.1.3.4. Compresor cu surub, cu un singur rotor (single-screww compressor)

Aceste compresoare au aparut sub licenta Zimmern si realizate pentru īnceput de firma Grasso-Stacon B.V.

Aceste compresoare se utilizeaza pentru producerea de frig si de aer conditionat si realizeaza rapoartele de comprimare peste īntr-o treapta si puteri frigorifice cuprinse īntre .

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 īn trei faze: aspiratia, compresia si evacuara, conform figurii 4.15.

Figura 1.15. Compresor cu surub cu un singur rotor

Aspiratia. Īn timpul rotatiei rotorului principal, un canal dintre dintii elicoidali si camera de aspiratie se umple treptat cu vapori. Dintii rotilor dintate ce intra īn 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 īn spatiul din jurul rotorului si carcasa. Īn continuare volumul scade si se produce compresia.

Evacuarea. Atunci cānd canalul rotorului ajunge īn dreptul deschiderii se produce evacuarea vaporilor, pāna la reducerea la zero a volumului. Īn 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 īn 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.

Īn 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

Īn figura 1.19 se prezinta ciclul termodinamic teoretic frigorific cu compresor cu economizor cu separator de lichid. Dupa condensare, lichidul se lamineaza pāna la o presiune intermediara "". Vaporii rezultati dupa laminarea de stare , sunt aspirati de compresor, prin orificiiile compresorului. Lichidul cu starea intra īn vaporizator, printr-un organ de laminare si puterea frigorifica realizata va fi superioara, decāt īn situatia fara economizor.

Īn figura 4.19, procesele si reprezinta procesele ideale de comprimare īn 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 īn 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 īnceperea 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 decāt 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 īn supermarketuri. Asemenea compresoare cu injectie de ulei sunt utilizate īn conditionarea aerului si ca pompe de caldura pentru puteri frigorifice cuprinse īntre . Ele se caracterizeaza prin zgomot si vibratii reduse.