Transcript Unitatea-3 - Marinari.info

Unitatea de învăţare nr. 3
INSTALAŢIA FRIGORIFICĂ CU COMPRESIE MECANICĂ DE
VAPORI ÎNTR-O TREAPTĂ
Cuprins
1. Instalaţia cu un fluid nemiscibil cu uleiul
– 1.1. Descrierea şi funcţionarea instalaţiei cu amoniac
– 1.2. Calculul termic al procesului teoretic
2. Instalaţia cu un fluid miscibil cu uleiul
– 2.1. Descrierea şi funcţionarea instalaţiei cu un freon
– 2.2. Calculul termic al procesului teoretic
1. INSTALAŢIA CU UN FLUID NEMISCIBIL CU
ULEIUL
• Amoniacul (NH3, R717) este cel mai utilizat fluid
frigorific nemiscibil cu uleiul de ungere a
compresoarelor.
• Uleiul este necesar în compresor pentru
diminuarea frecărilor pieselor în contact, în
mişcare (deci pentru reducerea uzurii şi a
energiei consumate), pentru realizarea etanşării
între zona de presiune înaltă şi joasă şi pentru
răcirea cilindrului.
1.1. Descrierea şi funcţionarea instalaţiei cu
amoniac
• Răcirea indirectă este utilizată când agentul frigorific
este toxic sau exploziv.
• Există totuşi, chiar în cazul utilizării amoniacului, şi
posibilitatea răcirii directe a consumatorului
(vaporizatorul este plasat la consumator), când nu
există riscul unui contact direct cu oamenii
• Agentul intermediar, sosit de la consumatorul de frig
CF prin recircularea cu pompa PS, este răcit în
vaporizatorul V, căldura Φ0 astfel cedată este
utilizată la vaporizarea amoniacului.
• În cazul răcirii indirecte, vaporizatorul este un răcitor de
lichid.
– a) vaporizatorul multitubular, orizontal, este realizat dintr-o
virolă (manta) cilindrică orizontală în care este plasat un
fascicul de ţevi prin care circulă fluidul intermediar care,
cedând căldura Φ0, este răcit de la temperatura θS1 la
temperatura θS2. Amonaicul lichid este introdus în spaţiul
dintre ţevi şi manta unde, primind căldura Φ0 vaporizează;
– b) vaporizatorul imersat, vertical, este compus din mai multe
ţevi verticale sudate la un distribuitor de lichid (plasat la
partea inferioară) şi un colector de vapori (plasat la partea
superioară). Acest ansamblu de ţevi este scufundat în lichidul
ce trebuie răcit, acumulat într-un bazin. Amoniacul
vaporizează în ţevi pe baza căldurii Φ0 preluate de la fluidul
intermediar care circulă prin bazin şi astfel este răcit.
Fig. 1. Schema teoretică a instalaţiei frigorifice cu amoniac, într-o treaptă.
V – vaporizator; SL – separator de lichid; K – compresor; SU – separator de ulei;
C – condensator; RL – rezervor de amoniac lichid; SR – subrăcitor de lichid; VL – ventil de
laminare; PS – pompa agent răcit; CF – consumator de frig.
• Protecţia compresorului K, contra picăturilor de
agent frigorific lichid antrenate din vaporizator, se
realizează cu separatorul de lichid SL.
• Vaporii de amoniac rezultaţi din separatorul de
lichid, saturaţi, uscaţi, sunt aspiraţi în cilindrul
compresorului, comprimaţi printr-o acţiune
mecanică realizată de piston şi refulaţi spre
condensator.
• Există diferite tipuri de compresoare mecanice.
– a) compresorul cu piston alternativ: fazele comprimării
(aspiraţia vaporilor, comprimarea şi refularea) se
realizează prin mişcarea alternativă (de dus-întors) a
pistonului în cilindru.
– b) compresorul cu şurub: fazele comprimării se
realizează prin acţiunea simultană a două piese
prevăzute cu dinţi sau alveole (vaporii sunt deplasaţi
şi comprimaţi în spaţiul astfel creat, cu volumul din ce
în ce mai mic). Constructiv poate fi realizat cu două
rotoare elicoidale (unul masculin, cu lobi şi unul
feminin, cu alveole), sau cu un rotor elicoidal şi două
pinioane.
– c) compresorul spiro-orbital (Scroll): două spirale
plasate faţă în faţă, una fixă în care este plasat central
orificiul de refulare şi una mobilă care are o mişcare
orbitală, asigură variaţia volumului cuprins între ele şi
deci comprimarea vaporilor de agent frigorific.
Ciclul termodinamic, bazat pe procesele teoretice parcurse de
fluidul frigorific, este prezentat în diagramele T-s şi p-h, în figura 3.
Fig. 3. Ciclul termodinamic teoretic al instalaţiei cu amoniac, într-o treaptă.
1-2: comprimare vapori (s=ct); 2-2’: desupraîncăzire vapori (p=ct); 2’-3: condensare (p,
θ=ct); 3-3’: subrăcire lichid (p=ct); 3’-4: laminare (h=ct); 4-1: vaporizare (p, θ=ct).
1.2. Calculul termic al procesului teoretic
• Se cunosc:
– puterea frigorifică a instalaţiei, Φ0 (kW);
– natura şi evoluţia temperaturii agentului răcit, venit de la
consumatorul de frig, θS1/θS2 (oC);
– natura şi evoluţia temperaturii agentului de răcire, care face
legătura cu mediul ambiant, θW1/θW2 (oC);
– natura energiei de acţionare a compresorului.
• Se determină:
– debitul masic de amoniac, Qm (kg/s);
– debitele volumice de amoniac în diferitele zone ale instalaţiei;
– puterea termică a condensatorului, ΦC (kW) şi a subrăcitorului,
ΦSR (kW);
– puterea de antrenare a compresorului PK (kW).
– se determină temperatura de condensare (θC), temperatura de subrăcire (θSR)
şi temperatura de vaporizare (θ0), conform considerentelor tehnico-economice
recomandate: ΔθC = Δθ0 = 2...4oC,
ΔθSR = 3...6oC.
Fig. 4. Variaţia temperaturilor fluidelor în condensator (a), în subrăcitor (b) şi în vaporizator (c).
• Puterea frigorifică masică (absorbită de 1 kg de amoniac
în procesul de vaporizare din V, de la agentul intermediar,
răcit), va fi:
q 0m  h1  h 4 kJ / kg 
• Puterea frigorifică volumică,
q 0 v  q 0 m v1
kJ / m 
3
• Debitul masic de amoniac,
Qm   0 q 0m
kg / s
• Debitul volumic de vapori de amoniac aspiraţi de
compresor,
Q v1  Q m v1   0 q 0 v
m / s
3
• Puterea termică masică cedată în condensator
(inclusiv pentru desupraîncălzirea vaporilor),
qC  h 2  h3
kJ / kg
• Puterea termică totală a condensatorului,
 C  Qm q C
kJ / kg
• Debitul de agent de răcire Qmw se determină din bilanţul
termic al condensatorului. Dacă se foloseşte apa de răcire,
obţinem:
C  QmwcPw w 2  w1 
unde cPw este căldura specifică la presiune constantă a apei
la temperatura medie.
• Puterea termică masică cedată în subrăcitor,
qSR  h 3  h 3'
kJ / kg 
• Puterea termică totală a subrăcitorului,
SR  QmqSR
kW
• Lucrul mecanic masic consumat de compresor,
l K  h 2  h1
kJ / kg
• Puterea electrică totală consumată de compresor,
PK  Qml K
kW
• Bilanţul energetic global
0  PK  C  SR
kW
• Coeficientul de performanţă
 0 q 0m
COPIF   IF 

PK
lK
2. INSTALAŢIA CU UN FLUID MISCIBIL CU ULEIUL
• Majoritatea freonilor (excepţie R22) şi hidrocarburile
(propanul, izobutanul) de amestecă intim cu uleiul din
compresor (se dizolvă reciproc), făcând imposibilă separarea
mecanică, încât vaporii de freon antrenează uleiul din
compresor în restul instalaţiei.
2.1. Descrierea şi funcţionarea instalaţiei cu un freon
• Dacă compresorul şi condensatorul sunt realizate similar celor
pentru fluidele nemiscibile cu uleiul, vaporizatorul este special
construit pentru fluide miscibile cu uleiul.
• În consecinţă, fluidul răcit va circula prin spaţiul dintre ţevi şi
manta unde, pentru a se realiza o viteză suficient de ridicată în
vederea asigurării unui regim turbulent de curgere, se prevăd
şicane.
Fig. 6. Schema teoretică a instalaţiei frigorifice cu freon într-o treaptă. V – vaporizator;
SCR – schimbător de căldură recuperativ; K – compresor; C – condensator; VL – ventil
de laminare; CF – consumator de frig; PS – pompă agent răcit.
În vaporizator are loc atât vaporizarea completă a freonului (procesul 4-1) cât şi o
uşoară supraîncăzire (procesul 1-1’).
Fig. 7. Ciclul termodinamic teoretic pentru un freon monocomponent.
1-1’ – supraîncălzire vapori în vaporizator (p=ct); 1’-1” - supraîncălzire vapori în SCR (p=ct); 1”-2 – comprimare
vapori(s=ct); 2-2’ - desupraîncălzire vapori (p=ct); 2’-3 – subrăcire lichid (p=ct); 3’-4 – laminare (h=ct);
4-1 – vaporizare (p, θ=ct).
2.2. Calculul termic al procesului teoretic
• Se propun temperaturile vaporilor
compresorului (θ1’, θ1’’):
1'  0  5...7 o C
în
aspiraţia
1' '  1'  10...15 o C
• Din bilanţul termic masic al SCR rezultă entalpia freonului
lichid subrăcit (h3’):
h 3  h 3'  h1''  h1'
Deci:
h 3'  h 3  h1''  h1' 
Fig. 9. Variaţia temperaturii fluidelor în condensator (a) şi
vaporizator (b).
•
Puterea frigorifică masică,
q0m  h1'  h 4
•
Puterea frigorifică volumică,
q 0 v  q 0 m v1' '
•
kJ / kg 
kJ / m 
3
Debitul masic de freon,
Qm  0 q0m
kg / s
• Debitul volumic de vapori de freon aspiraţi de compresor,
Q v1' '  Q m v1' '   0 q 0 v
m / s
3
• Puterea termică masică cedată în condensator (inclusiv pentru
desupraîncălzirea vaporilor),
qC  h 2  h3
kJ / kg
• Puterea termică totală a condensatorului,
 C  Qm q C
kW
• Puterea termică masică schimbată în subrăcitor/supraîncălzitor de
vapori,
qSR  h3  h3'  qSIV  h1''  h1'
kJ / kg
• Puterea termică totală a subrăcitorului/
supraîncălzitorului de vapori,
SR  QmqSR  SIV  QmqSIV
kW
• Lucrul mecanic masic consumat de compresor,
lK  h 2  h1''
kJ / kg
• Puterea electrică totală consumată de compresor,
PK  QmlK
kW
• Şi în acest caz, cum toate utilajele sunt parcurse
de acelaşi debit masic Qm, se poate scrie şi un
bilanţ energetic masic:
q 0m  l K  q C
kJ / kg 
• Coeficientul de performanţă:
COPIF 
 0 q 0m

PK
lK