Instalații de frig și climatizare

1.Introducere

1.1 Clasificarea instalaţiilor frigorifice

Instalaţiile frigorifice se pot clasifica după: nivelul de temperaturi obţinute, principiul de

funcţionare, tipul ciclului în periodicitate.

a) după nivelul de temperaturi obţinute se pot deosebi:

- domeniul climatizării în care frigul produs la temperaturi în general peste 0 0C, este utilizat

în scopuri de confort sau tehnologie

- domeniul frigului moderat (frigul industrial) care acoperă zona temperaturilor (-150

0C - 0 0C)

- domeniul frigului adânc (criogeniei) unde temperaturile ajung până la aproape de zero

absolut (-273,15 0C).

b) după principiul de funcţionare :

- instalaţii cu comprimare mecanică, antrenate de motoare electrice sau termice, ce folosesc

proprietăţi elastice ale vaporilor sau gazului;

- instalaţii cu sorbţie ce folosesc ca principiu reacţiile chimice evoterne şi andoterne dintre

un solvent şi un dizolvant. Acestea se pot subclasifica astfel:

- instalaţii cu absorbţie, la care procesele au loc la limita de separare dintre faza lichidă şi

faza gazoasă;

- instalaţii cu absorbţie, la care procesul de sorbţie are loc la suprafaţa absorbantului în fază

solidă. Aceste instalaţii folosesc ca şi potenţial motor energia termică.

- instalaţii cu jet ce utilizează energie cinetică a unui jet de gaz sau de vapori. Aceste

instalaţii frigorifice se subclasifică:

- cu ejecţie unde presiunea dinamică jetului creează o depresiune în vaporizator

- cu turbionare unde jetul de gaz produce un vârtej cu efect de creare a unui gradient termic

- instalaţii termoelectrice ce folosesc efectul Pèltiér la trecerea curentului electric prin

sisteme formate din două metale diferite, când se produc încălziri şi răciri la locul de

sudare al metalelor;

- instalaţii magnetice ce utilizează proprietatea corpurilor magnetice de a-şi mări temperatura

la magnetizare şi a o reduce la demagnetizare.

c) după tipul ciclului de funcţionare

- instalaţii în circuit închis la care agentul de lucru parcurge succesiv elementele unui circuit

închis;

- instalaţii în circuit deschis la care după ce agentul parcurge părţi din instalaţie este extras

parţial sau total din aceasta.

d) după periodicitate

- instalaţii cu funcţionare discontinuă în regim nestaţionar care funcţionează intermitent sau

un singur aparat are mai multe roluri;

- instalaţii cu funcţionare continuă caracterizate prin aceea că sistemul se găseşte în

funcţionare permanentă la sarcina nominală.

1.3 Mărimi şi procese termodinamice

1.3.1 Mărimi termodinamice şi transformări de stare

Pentru studiul fenomenelor termice, se introduce noţiunea de sistem termodinamic, ce

reprezintă un corp sau un ansamblu de corpuri care schimbă energie şi substanţă cu mediul ambiant.

Din punctul de vedere al interacţiunii dintre un sistem termodinamic şi mediul ambiant, se

pot întâlni:

a) sisteme deschise sau închise după cum există sau nu schimb de substanţă cu mediul

ambiant;

b) sisteme adiabatice la care nu există schimb de căldură cu exteriorul.

Un sistem termodinamic este determinat prin mărimile fizice care îl caracterizează, numite

parametrii sau mărimi de stare.

Deoarece în tehnica frigului intervin în multe aplicaţii lichidele şi gazele, mai jos sunt

redate mărimile de stare principale ale fluidelor.

Masa m a fluidului reprezintă o măsură a cantităţii de substanţă.

Presiunea p este rezultatul loviturilor moleculelor fluidului asupra vasului în care se află

sau a suprafeţelor oricărui corp cu care fluidul vine în contact direct. În practică luându-se ca

origine presiunea atmosferică se utilizează şi noţiunea de presiune relativă, care reprezintă diferenţa

dintre presiunea absolută care domneşte într-un sistem şi presiunea atmosferică.

Temperatura T exprimă gradul de încălzire a unui corp, fiind rezultatul agitaţiei

moleculelor acestuia.

Dacă T este temperatura în Kelvin iar t este temperatura în grade Celsius, atunci relaţia:

T = t + 273,1 (1.3.1)

Volumul specific v reprezintă volumul unităţii de masă, adică:

V = ( )

Kg

m3

m

v

, (1.3.2)

În care: V şi m volumul pe care-l ocupă fluidul, respectiv masa sa.

Ecuaţia care arată interdependenţa dintre cei patru parametri m, p, V, T, se numeşte ecuaţia

caracteristică de stare:

F(m, p, V, T) = 0 (1.3.3)

Ecuaţia caracteristică exprimată pentru masa unitate rezultă din relaţia de mai sus prin

introducerea volumului specific:

F(p, v, T) = 0 (1.3.4)

Una din ecuaţiile de stare, aplicabilă cu oarecare aproximaţie, gazelor reale, aflate la

presiuni mici şi temperaturi ridicate, este ecuaţia lui Clapeyron:

Pv = m R  T (1.3.5)

Iar pentru unitatea de masă:

Pv = RT, (1.3.6)

În care: R este constanta gazului respectiv şi se exprimă în (J/Kg K ).

Atunci când un fluid îşi schimbă starea, parametrii de stare capătă noi valori. Se spune că

fluidul a suferit o transformare de stare sau un proces termodinamic.

Fie starea 1 a unui fluid caracterizată de parametrii p1, v1, T1 şi starea 2 caracterizată de

parametrii p2, v2, T2 (Fig. 1.1). La trecerea fluidului din starea 1 în starea 2, variaţia mărimilor

caracteristice depinde numai de starea iniţială 1 şi de starea finală 2 şi este independentă de drumul

transformării.

Pentru ca un proces termodinamic să fie perfect determinat este necesară cunoaşterea nu

numai a stărilor iniţiale şi finale ci totalitatea stărilor intermediare. Dacă la transformarea din starea

1 în starea 2, succesiunea de stări la transformarea de la starea 2 la starea 1, fără ca în mediul

ambiant să se producă vreo schimbare remanentă, procesul se numeşte reversibil. Dacă stările

intermediare sunt diferite în cele două transformări, procesul este ireversibil.

Un ciclu termodinamic poate fi reprezentat într-o diagramă având ca abscisă volumul, iar

ca ordonată presiunea.

Deoarece prin cunoaşterea presiunii şi a volumului, o stare oarecare a sistemului este

determinată, rezultă că unui punct din diagrama p-V îi corespunde o anumită stare şi numai una.

În acest fel, un ciclu oarecare 1ABC1 (v. Fig. 1.2) poate fi reprezentat în această diagramă.