Principiul de funcionare a instalaiilor frigorifice Instalaiile frigorifice i pompele de cldur, sunt maini termice care au rolul de a prelua cldur de la un mediu avnd temperatura mai sczut i de a o ceda unui mediu avnd temperatura mai ridicat, aa cum se observ i pe schema energetic din figura 1. Acesta poate s fie considerat cel mai simplu model de instalaie frigorific, deoarece nu conine nici un element de natur constructiv. Din acest punct de vedere, poate s fie asimilat cu o "cutie neagr", a crei funcionare va fi analizat n continuare i care urmeaz s fie deschis pentru a i se studia componena i a i se releva secretele de proiectare, exploatare i automatizare.

Fig. 1 Schema energetic a instalaiilor frigorifice i a pompelor de cldur

Mediul cu temperatura mai sczut, de la care se preia cldur este denumit sursa

rece, iar mediul cu temperatura mai ridicat, cruia i se cedeaz cldur, este denumit sursa cald. Deoarece au capacitate termic infinit, temperaturile surselor de cldur rmn constante chiar dac acestea schimb cldur.

Fluxul de cldur absorbit de la sursa rece a fost notat cu 0Q& , iar fluxul de cldur cedat sursei calde, a fost notat cu kQ& .

Conform principiului doi al termodinamicii, pentru transportul cldurii, n condiiile prezentate, este necesar un consum de energie, notat cu P.

n cazul instalaiilor frigorifice, sursa rece se gsete sub temperatura mediului ambiant, iar procesul de coborre a temperaturii sub aceast valoare, este denumit rcire artificial.

Agentul de lucru, care evolueaz n aceste instalaii, este denumit agent frigorific. Pentru a putea s preia cldur de la sursa rece, agentul frigorific trebuie s aib

temperatura mai mic dect aceasta. n timpul prelurii de cldur de la sursa rece, agentul frigorific se poate comporta n

dou moduri diferite: - se poate nclzi mrindu-i temperatura; - poate s-i menin temperatura constant.

Cele dou posibile variaii de temperatur (t) a agentului de lucru, de-a lungul suprafeelor de schimb de cldur (S), sunt prezentate n figurile 2 i 3. Cu tr a fost notat temperatura sursei reci, iar sgeile reprezint sensul transferului termic (de la sursa rece la agentul frigorific).

Este evident c meninerea constant a temperaturii agentului frigorific n timpul prelurii de cldur, este posibil numai n condiiile n care se produce transformarea strii de agregare i anume vaporizarea.

Fig. 2 nclzirea agentului de lucru n timpul

prelurii de cldur

Fig. 3 Absorbia de cldur de la sursa rece, cu

meninerea constant a temperaturii Relaiile pentru calculul cldurii absorbite (Q0) n cele dou situaii sunt: ],kJ[tcmQ p10 = (1) pentru cazul fr schimbarea strii de agregare, unde m1[kg] este cantitatea de agent de lucru care se nclzete, cp[kJkg-1K] este cldura specific, iar t[K] este variaia temperaturii agentului frigorific ntre strile de ieire i intrare, n contact termic cu sursa rece, respectiv: ],kJ[rmQ 20 = (2) pentru cazul cu schimbarea strii de agregare, unde m2[kg] este cantitatea de agent de lucru care vaporizeaz, iar r[kJkg-1] este cldura latent de vaporizare a agentului frigorific, la temperatura de vaporizare t0.

Pentru a se realiza un transfer termic eficient, t este limitat la cel mult cteva grade. Schimbul de cldur la diferene finite de temperatur este nsoit de ireversibiliti de natur intern i cu ct diferenele de temperatur sunt mai mari, cu att transferul termic este mai puin eficient. Din aceast perspectiv este preferabil varianta cu schimbarea strii de agregare, creia i corespunde o temperatur constant a agentului frigorific i o diferen de temperatur constant, care poate s fie micorat prin soluii tehnologice. n varianta fr schimbarea strii de agregare, pentru a absorbi mai mult cldur, este nevoie de o nclzire mai pronunat a agentului frigorific, nsoit i de creterea diferenei medii de temperatur, fa de sursa rece, deci de un caracter ireversibil mai accentuat. n aceste condiii, pentru orice substan r>>cpt. Comparnd relaiile (1) i (2) apare evident c pentru a absorbi aceeai cldur Q0, fr schimbarea strii de agregare, este necesar o cantitate mult mai mare de agent frigorific, dect n cazul cu schimbarea strii de agregare, deci m1>>m2. Acesta este al doilea motiv pentru care este preferabil varianta cu schimbarea strii de agregare.

Dac se consider cazul funcionrii continue a acestor tipuri de instalaii, mrimea caracteristic pentru intensitatea transferului termic nu mai este cldura, ci fluxul termic absorbit de agentul frigorific de la sursa rece, sau sarcina termic a vaporizatorului, mrime notat cu 0Q& . Aceast mrime este denumit i putere termic, iar n cazul instalaiilor frigorifice putere frigorific. Pentru a rescrie relaiile (1) i (2), folosind aceast mrime, cantitile de agent frigorific, m1 i m2, trebuie s fie nlocuite cu debitele masice, notate cu

1m& respectiv 2m& . Dac se mpart cele dou relaii la timp, se obine: ],kW[tcmQ p10 = && (3) ].kW[rmQ 20 = && (4)

n aceast situaie, transferul termic dintre sursa rece i agentul frigorific, n condiiile vaporizrii celui din urm, este caracterizat prin debite masice mult mai reduse dect n absena schimbrii strii de agregare.

Pentru a putea s cedeze cldur sursei calde, agentul frigorific trebuie s aib temperatura mai mare dect aceasta.

n timpul cedrii de cldur ctre sursa cald, agentul frigorific se poate comporta, ca i n cazul interaciunii termice cu sursa rece, n aceleai dou moduri diferite:

- se poate rci micorndu-i temperatura; - poate s-i menin temperatura constant. Cele dou posibile variaii de temperatur (t) a agentului de lucru, de-a lungul

suprafeelor de schimb de cldur (S), sunt prezentate n figurile 4 i 5. Cu tc a fost notat temperatura sursei calde, iar sgeile reprezint sensul transferului termic (de la agentul frigorific spre sursa rece).

Este evident c meninerea constant a temperaturii agentului frigorific n timpul cedrii de cldur, este posibil numai n condiiile n care se produce transformarea strii de agregare i anume condensarea.

Fig. 4 Rcirea agentului de lucru

n timpul cedrii de cldur

Fig. 5 Cedarea de cldur spre sursa cald,

cu meninerea constant a temperaturii

Relaiile pentru calculul cldurii cedate (Qk) n cele dou situaii sunt: ],kJ[tcmQ p1k = (5) pentru cazul fr schimbarea strii de agregare, unde m1[kg] este cantitatea de agent de lucru care se rcete, cp[kJkg-1K] este cldura specific, iar t[K] este variaia temperaturii agentului frigorific ntre strile de intrare i ieire, n contact termic cu sursa cald, respectiv: ],kJ[rmQ 2k = (6) pentru cazul cu schimbarea strii de agregare, unde m2[kg] este cantitatea de agent de lucru care condenseaz, iar r[kJkg-1] este cldura latent de condensare a agentului frigorific la temperatura de condensare tk, egal cu cldura latent de vaporizare la aceeai temperatur.

Din aceleai considerente, menionate la schimbul de cldur cu sursa rece, pentru a avea un transfer termic eficient cu sursa cald, t este limitat tot la cel mult cteva grade.

Din nou este preferabil varianta cu schimbarea strii de agregare. Acelai raionament aplicat n situaia prelurii de cldur de la sursa rece, evideniaz i pentru cazul contactului termic cu sursa cald, c este necesar o cantitate mai mic de agent frigorific n varianta cu schimbarea strii de agregare, motiv pentru care iari este preferabil varianta cu schimbarea strii de agregare.

Pentru cazul funcionrii continue a acestor tipuri de instalaii, utiliznd fluxul termic cedat de agentul frigorific sursei calde, sarcina termic, sau puterea termic a condensatorului, mrime notat cu kQ& i debitele masice, notate tot cu 1m& respectiv 2m& , mprind relaiile (5) i (6) la timp, se obine: ],kW[tcmQ p1k = && (7) ].kW[rmQ 2k = && (8)

Din nou transferul termic dintre sursa de cldur i agentul frigorific, n condiiile schimbrii strii de agregare, este caracterizat prin debite masice mult mai reduse dect n absena acesteia.

Acest aspect are implicaii importante asupra ntregii instalaii. Debite mai reduse nseamn consumuri de energie mai reduse pentru vehicularea agentului de lucru, diametre mai reduse pentru conducte, respectiv elemente geometrice mai reduse din punct de vedere dimensional, pentru schimbtoarele de cldur.

Din motivele prezentate anterior, n majoritatea covritoare a instalaiilor frigorifice i a pompelor de cldur, este preferat transferul termic ntre agentul de lucru i sursele de cldur, prin schimbarea strii de agregare.

Cele dou aparate ale instalaiei frigorifice, sau pompei de cldur, aflate n contact cu sursele de cldur, sunt unele dintre cele mai importante pri ale acestor instalaii i se numesc, vaporizator (notat cu V) i condensator (notat cu K).

Efectul util al instalaiilor frigorifice, sau frigul artificial, se realizeaz n vaporizator, prin preluare de cldur de la sursa rece.

Efectul util al pompelor de cldur, se realizeaz n condensator, prin cedare de cldur sursei calde.

Conform principiului doi al termodinamicii, cldura nu poate s treac de la sine, de la o temperatur mai sczut (sursa rece) la una mai nalt (sursa cald), fr un consum de energie (mecanic sau de alt natur) din exterior.

Energia consumat din exterior, pentru funcionarea instalaiei, este o putere mecanic sau termic, a fost notat pe figura 1 cu P i se msoar n [kW].

Dac se efectueaz un bilan energetic pentru instalaiile frigorifice, sau pompele de cldur, respectiv dac se aplic principiul nti al termodinamicii, se observ c suma dintre energiile introduse n sistem, adic sarcina termic a vaporizatorului 0Q& i puterea P, este

egal cu energia evacuat din sistem i anume sarcina termic a condensatorului kQ& . Matematic acest lucru se poate scrie sub forma: ].kW[PQQ 0k += && (9)

Temperaturii t0 la care vaporizeaz agentul frigorific, denumit temperatur de vaporizare, i corespunde o presiune de saturaie unic, notat p0 i denumit presiune de vaporizare.

Analog, temperaturii la care condenseaz agentul frigorific, denumit temperatur de condensare, i corespunde o presiune de saturaie unic, notat pk i denumit presiune de condensare.

n figura 3 se observ c deoarece agentul frigorific are n orice punct al vaporizatorului temperatura mai mic dect temperatura sursei reci, atunci t0tc. Pentru c temperaturile surselor de cldur sunt n relaia evident tc>tr, rezult clar c temperatura de condensare este mai mare dect temperatura de vaporizare (tk>t0), deci este evident c i pk>p0. Valorile presiunilor de vaporivare i condensare vor fi asigurate de alte dou aparate care trebuie s intre n componena acestor instalaii.

innd seama de nivelul de temperatur la care se schimb energie ntre agentul frigorific i sursele de cldur, se poate reprezenta, ca n figura 6, o schem a fluxurilor energetice din instalaiile frigorifice i pompele de cldur.

Fig. 6 Schema fluxurilor energetice din instalaiile frigorifice i pompele de cldur

Ca o aplicaie a celor prezentate anterior, se poate arta c vaporizarea se realizeaz n

scopul prelurii de cldur de ctre agentul de lucru aflat iniial n stare lichid i la sfrit n stare de vapori, iar condensarea se realizeaz n scopul evacurii de cldur de ctre agentul de lucru aflat iniial n stare de vapori i la sfrit n stare lichid.

Prile componente ale instalaiilor frigorifice S-a artat anterior c presiunea de condensare are o valoare mai ridicat dect cea de vaporizare (pk>p0), deci n instalaiile de acest tip, se consum energie pentru creterea presiunii vaporilor furnizai de vaporizator, unde s-au format prelund cldur de la sursa rece, pn la presiunea din condensator, unde vor ceda cldur sursei calde.

Acest proces se poate realiza ntr-o main denumit compresor, avnd tocmai rolul de a comprima vapori sau gaze, bineneles cu ajutorul unui consum de energie mecanic. Exist i alte soluii tehnice pentru realizarea comprimrii vaporilor n instalaii frigorifice sau pompe de cldur, utiliznd ns energie termic n locul celei mecanice.

Dac vaporizatorul i condensatorul sunt schimbtoare de cldur i prezint o suprafa de transfer termic pentru asigurarea interfeei dintre agentul frigorific i sursele de cldur, compresorul este o main mai complex din punct de vedere constructiv, cu piston n interiorul unui cilindru, cu urub, cu lamele culisante ntr-un rotor montat excentric fa de stator, sau avnd alte construcii. n toate aceste situaii, comprimarea se realizeaz prin reducerea volumului agentului de lucru antrenat. Exist i turbocompresoare, acestea avnd funcionarea bazat pe legile gazodinamicii, transformnd energia cinetic n energie potenial de presiune. Puterea necesar din exterior, pentru desfurarea procesului, numit putere de comprimare, se noteaz cu Pc[kW].

Dup comprimare, vaporii de agent frigorific cedeaz cldur n condensator, sursei calde i aa cum s-a artat, condenseaz la valoarea pk a presiunii, deci la sfritul procesului, agentul frigorific prsete aparatul schimbtor de cldur n stare lichid. Condensul, pentru a reveni n vaporizator trebuie s-i micoreze presiunea pn la valoarea p0.

Din punct de vedere energetic, destinderea se realizeaz cel mai eficient, ntr-o main numit detentor. Aceasta are avantajul c produce energie mecanic, respectiv putere, capabil s compenseze o parte din consumul necesar pentru antrenarea compresorului. Din punct de vedere constructiv, detentorul este fie o main cu piston ntr-un cilindru, fie una de tip rotativ, cu circulaia radial sau axial a agentului frigorific. Indiferent de construcie, agentul de lucru cedeaz pistonului sau rotorului o parte din energia sa potenial de presiune i astfel se destinde pn la presiunea de vaporizare. Puterea furnizat n timpul destinderii, numit putere de destindere, se noteaz cu Pd[kW].

Agentul frigorific la presiunea p0, n stare lichid, intr n vaporizator, unde absoarbe cldur de la sursa rece, vaporizeaz i apoi ptrunde n compresor, iar n continuare funcionarea instalaiei se realizeaz prin parcurgerea continu a celor patru aparate. Procesele de lucru care se desfoar n acestea, respectiv vaporizare, comprimare, condensare i destindere, alctuiesc mpreun ciclul termodinamic inversat ideal, dup care funcioneaz instalaiile frigorifice i pompele de cldur.

n consecin, instalaiile frigorifice i pompele de cldur, au n componen cel puin patru elemente componente: vaporizator (V), compresor (C), condensator (K) i detentor (D), iar cea mai simpl schem constructiv a instalaiilor de acest tip poate s fie reprezentat ca n figura 8.

Fig. 8 Schema constructiv i funcional a instalaiilor frigorifice i pompelor de cldur

De cele mai multe ori, sursa rece, sau mediul rcit de vaporizator, este reprezentat de

aerul din jurul acestui schimbtor de cldur, de ap, sau de alte lichide, denumite generic ageni intermediari. Practic agentul frigorific vaporizeaz absorbind cldur de la aceste substane.

Pentru condensator, sursa cald, sau mediul nclzit, este reprezentat de aerul din mediul ambiant, de ap, sau simultan de ap i aer. Acestea, prin suprafaa de schimb de cldur, preiau de la agentul frigorific toat cldura latent de condensare. n practic, de multe ori se spune c apa sau aerul, sunt agenii de rcire ai condensatoarelor.

Att pentru vaporizator ct i pentru condensator, exist numeroase tipuri i variante constructive.

Energia, sau puterea (P) necesar din exterior pentru funcionarea acestor instalaii, este reprezentat de diferena dintre puterea de comprimare (Pc) i puterea de destindere (Pd), deci: ].kW[PPP dc = (10) innd seama de relaia (10), ecuaia de bilan energetic (9) rmne valabil. Din punct de vedere al analizelor energetice, pentru a elimina dependena de cantitatea de substan, respectiv de debitul masic al agentului de lucru din instalaie, vor fi considerate schimburile energetice specifice, adic raportate la un kilogram de substan. Acestea sunt:

- puterea frigorific specific: [ ]100 kgkJmQq = && ; (11)

- lucrul mecanic specific de comprimare: [ ]1cc kgkJmPl = & ; (12)

- sarcina termic specific a condensatorului: [ ]1kk kgkJmQq = && ; (13)

- lucrul mecanic specific de destindere: [ ]1dd kgkJmPl = & . (14)

Detentorul din instalaiile frigorifice ar fi o main foarte complex i i n consecin foarte scump, indiferent de construcia acestuia. Complexitatea constructiv a detentorului, nu este justificat de producerea unui efect util pe msur, deoarece destinderea agentului frigorific, se produce n domeniul n care agentul frigorific se gsete preponderent n faz lichid, (n detentor intr lichidul furnizat de condensator) i este cunoscut c prin destinderea lichidului, se produce un lucru mecanic, respectiv o putere de destindere mult mai redus dect n cazul destinderii vaporilor. Cu toate c din punct de vedere termodinamic i energetic, cea mai eficient soluie pentru realizarea destinderii, este reprezentat de utilizarea detentorului, din punct de vedere tehnologic i economic, acesta nu este rentabil. Practic, n construcia instalaiilor frigorifice, detentorul este nlocuit de un dispozitiv mult mai simplu din punct de vedere constructiv, n care destinderea este realizat prin laminare. Acest dispozitiv este fie un tub capilar, n sistemele de putere frigorigorific redus, fie un ventil de laminare, n sistemele i instalaiile de putere frigorific medie sau mare. Instalaiile frigorifice avnd n componen aceste dispozitive de destindere, sunt ceva mai puin eficiente dect cele prezentate n figura 8, deoarece nu mai produc lucru mecanic, respectiv putere de destindere, dar sunt mult mai rentabile din punct de vedere tehnico-economic, reprezentnd practic singurele soluii tehnice utilizate n prezent, n construcia instalaiilor frigorifice cu comprimare mecanic de vapori, de tipul celor prezentate anterior. n figura 9 este prezentat o schem constructiv a unei instalaii de putere frigorific redus n care laminarea este realizat prin tub capilar, iar n figura 10, schema unei instalaii de putere frigorific medie, n care laminarea este realizat ntr-un ventil de laminare termostatic.

Fig. 9 Instalaie frigorific cu tub capilar

Fig. 10 Instalaie frigorific cu ventil de laminare

termostatic Bulbul care poate fi observat pe conducta de aspiraie, are rolul de a controla procesul de laminare, n vederea eliminrii pericolului ca eventuale picturi de lichid nevaporizat s ajung n compresor. Laminarea este controlat prin valoarea temperaturii vaporilor la ieirea din vaporizator, de unde provine i denumirea acestui aparat: ventil de laminare termostatic.

Comparaie ntre instalaiile frigorifice i pompele de cldur Din punct de vedere principial, ciclul termodinamic inversat, dup care funcioneaz cele dou tipuri de instalaii, este identic. Ceea ce difer, este numai nivelul de temperatur la care se gsesc sursele de cldur, fa de temperatura mediului ambiant, notat cu ta [C], respectiv Ta [K].

Fig. 11 Scheme de instalaii funcionnd dup cicluri termodinamice inversate

a) Instalaie frigorific; b) Pomp de cldur; c) Instalaie combinat.

Pentru a simplifica analiza comparativ a ciclurilor acestor instalaii, se consider c ntre sursele de cldur i agentul frigorific, schimbul de cldur se desfoar n condiii ideale, adic la diferene infinit mici de temperatur. Acest tip de transfer termic presupune suprafee infinit de mari pentru transmiterea cldurii i o durat infinit de mare, ceea ce nu se poate ntlni n realitate. Din punct de vedere teoretic, aceste ipoteze au ns avantajul c simplific mult analiza ciclurilor termodinamice. n aceste condiii temperatura sursei reci poate s fie considerat egal cu temperatura de vaporizare a agentului frigorific, iar temperatura sursei calde poate s fie considerat egal cu temperatura de condensare.

n figura 11, sunt prezentate trei scheme de instalaii funcionnd dup cicluri termodinamice inversate:

- Instalaiile frigorifice, au temperatura sursei reci tr[C] sau Tr[K], egal cu temperatura de vaporizare t0[C] sau T0[K], mai mic dect temperatura mediului ambiant ta[C] sau Ta[K]. n aceast situaie particular, sursa rece mai este denumit i mediu rcit. Rolul acestor instalaii este de a prelua cldur de la mediul rcit, n scopul rcirii sau meninerii unei temperaturi sczute a acestuia. Cldura absorbit Q0, sau puterea frigorific absorbit 0Q& , reprezint efectul util al acestor instalaii. Sursa cald, n cazul instalaiilor frigorifice este reprezentat de mediul ambiant. Ciclul de lucru este reprezentat prin strile 1,2,3,4.

- Instalaiile de pomp de cldur, au temperatura sursei calde tc[C] sau Tc[K], egal cu temperatura de condensare tk[C] sau Tk[K], mai mare dect temperatura mediului ambiant ta[C] sau Ta[K]. n aceast situaie particular, sursa cald mai este denumit i mediu nclzit. Rolul acestor instalaii este de a ceda cldur mediului nclzit, n scopul nclzirii sau meninerii unei temperaturi ridicate a acestuia. Cldura cedat Qk, numit uneori i cldur pompat, sau sarcina termic a condensatorului kQ& , reprezint efectul util al acestor instalaii. Sursa rece, n cazul pompelor de cldur este reprezentat de mediul ambiant. Ciclul de lucru este reprezentat prin strile 5,6,7,8.

- Instalaiile combinate, au temperatura sursei reci, egal cu temperatura de vaporizare, mai mic dect temperatura mediului ambiant, iar temperatura sursei calde, egal cu temperatura de condensare, mai mare dect temperatura mediului ambiant. Rolul acestor instalaii este de a absorbi cldur de la mediul rcit i simultan de a ceda cldur mediului nclzit. Aceste echipamente au un dublu efect util, reprezentat evident de sarcinile termice ale vaporizatorului 0Q& i conden-satorului kQ& . Ciclul de lucru este reprezentat prin strile 9,10,11,12.

Ageni frigorifici Pentru a permite funcionarea ciclic a instalaiilor frigorifice i a pompelor de cldur, agenii termodinamici de lucru din acestea, preiau cldur prin vaporizare i cedeaz cldur prin condensare, la temperaturi sczute sau apropiate de ale mediului ambiant, deci trebuie s fie caracterizate de unele proprieti particulare, care i deosebesc de agenii termodinamici din alte tipuri de instalaii. Din acest motiv, aceste substane poart i denumirea de ageni frigorifici. Proprieti ale agenilor frigorifici Proprietile agenilor frigorifici sunt impuse de schema i tipul instalaiei, precum i de nivelurile de temperatur ale celor dou surse de cldur. Cteva dintre aceste proprieti sunt urmtoarele: - presiunea de vaporizare trebuie s fie apropiat de presiunea atmosferic i uor superioar acesteia, pentru a nu apare vidul n instalaie; - presiunea de condensare trebuie s fie ct mai redus, pentru a nu apare pierderi de agent frigorific i pentru a se realiza consumuri energetice mici n procesele de comprimare impuse de funcionarea acestor instalaii; - cldura preluat de un kilogram de agent, prin vaporizare, trebuie s fie ct mai mare, pentru a se asigura debite masice reduse; - cldura specific n stare lichid trebuie s fie ct mai mic, pentru a nu apare pierderi mari prin ireversibiliti interne, n procesele de laminare adiabatic; - volumul specific al vaporilor trebuie s fie ct mai redus, pentru a se obine dimensiuni de gabarit reduse, ale compresoarelor; - s nu prezinte pericol de inflamabilitate, explozie i toxicitate; - s nu fie poluani (este cunoscut faptul c unii ageni frigorifici clasici i anume cteva tipuri de freoni, contribuie la distrugerea stratului de ozon al stratosferei terestre). Pentru a nu se utiliza denumirile chimice complicate ale acestor substane, agenii frigorifici au fost denumii freoni, sunt simbolizai prin majuscula R, (de la denumirea n limba englez - Refrigerant) i li s-a asociat un numr care depinde de compoziia chimic. Unii dintre cei mai cunoscui ageni frigorifici sunt prezentai n tabelul 1, mpreun cu temperatura normal de vaporizare i indicele transformrii adiabatice.

Tabelul 1 Temperatura de vaporizare i indicele transformrii adiabatice (k), pentru civa ageni frigorifici

Denumirea Temperatura normal de vaporizare [C] k

[] Amoniac (R717)

R12 R22

Clorur de metil R502 CO2

R134a

33,35 29,80 40,84 23,74 45,60 78,52 26,42

1,30 1,14 1,16 1,20

- 1,30 1.14

Se observ c aceti ageni au proprietatea de a vaporiza (fierbe) la temperaturi sczute, putnd deci s absoarb cldur, la temperaturi mai mici dect ale mediului ambiant.

Istoric Istoricul fluidelor frigorifice ncepe n anul 1834, cnd americanul Jacob Perkins breveteaz o main frigorific funcionnd prin comprimare mecanic de vapori, utiliznd ca agent frigorific oxidul de etil. Utilizarea unei asemenea maini s-a dovedit rapid limitat de nivelul ridicat de inflamabilitate al acestui agent. n 1876 Carl von Linde, datorit utilizrii amoniacului ca agent frigorific, permite adevrata dezvoltare a instalaiilor frigorifice prin comprimare mecanic de vapori. n 1880, introducerea unui nou agent frigorific, anhidrida carbonic, reprezint nceputul utilizrii instalaiilor frigorifice pentru mbarcarea la bordul navelor a produselor alimentare. n 1920, prin utilizarea anhidridei sulfuroase i a clorurii de metil, apar primele maini frigorifice de uz casnic sau comercial. ncepnd din 1930, apar primele hidrocarburi fluorurate i clorurate (CFC). Datorit caracteristicilor foarte interesante din punct de vedere termodinamic i datorit marii lor stabiliti att termice ct i chimice, utilizarea acestora va aduce o ameliorare considerabil att a fiabilitii ct i a siguranei n funcionare a instalaiilor frigorifice cu compresie mecanic. Aa se explic de ce n comparaie cu amoniacul i clorura de metil, aceste substane poart denumirea de ageni frigorifici de siguran. n numeroase ri, pe lng denumirea de freoni, agenii frigorifici pot fi ntlnii i sub diverse denumiri comerciale, care pentru acelai produs difer de la ar la ar i de la un productor la altul. R12 de exemplu, este numit Forane 12 (denumirea comercial a Uzinei Kuhlmann din Frana), Flugene 12 (denumirea comercial a firmei Pechine Saint-Gobain din Frana), sau Genetron 12 (denumirea comercial a societii Allied Chemical din S.U.A.). n unele publicaii tiinifice, chiar i denumirea de freoni, pentru desemnarea agenilor frigorifici, este considerat comercial.

Compoziia chimic a freonilor Din punct de vedere al compoziiei chimice, freonii, care sunt hidrocarburi fluorurate, pot fi mprii n trei mari categorii:

- CFC (clorofluorocarburi), freonii clasici, care conin Cl foarte instabil n molecul; - HCFC (hidroclorofluorocarburi), freoni denumii de tranziie, care conin n molecul

i hidrogen, datorit cruia Cl este mult mai stabil i nu se descompune att de uor sub aciunea radiaiilor ultraviolete;

- HFC (hidrofluorocarburi), considerai freoni de substituie definitiv, care nu conin de loc n molecul atomi de Cl.

Tabelul 2 Cele trei tipuri de freoni

CFC HCFC HFC Hidrogen

Hidrogen

Clor Clor

Fluor Fluor

Fluor

Carbon Carbon Carbon

Tabelul 3 Cteva exemple de freoni uzuali

CFC HCFC HFC

R11

R22

R134a

R12

R123

R125

R113

R114

Amoniac (NH3 sau R717)

agent frigorific natural nu este un freon

Pe lng cele trei categorii de ageni frigorifici menionate, exist i ageni frigorifici naturali, ntre care amoniacul (NH3), simbolizat i prin R717, este cel mai important i cel mai utilizat, datorit proprietilor sale termodinamice care l fac cel mai performant agent frigorific din punct de vedere al transferului termic.

Legtura dintre freoni i stratul de ozon Poluarea produs de freoni, o problem att de mediatizat i discutat n ultimii ani, reprezint la ora actual unul din motivele care explic numrul foarte mare de ageni frigorifici ntlnii n diverse aplicaii ale tehnicii frigului. La nceputul anilor 80, msurtori ale grosimii stratului de ozon de deasupra Antarcticii, au evideniat c grosimea acestuia devenise mult mai redus dect n mod normal. Stratul de ozon, avnd un rol extrem de benefic, deoarece filtreaz radiaiile ultraviolete, se gsete n stratosfera atmosferei terestre, aproximativ ntre 12 50 km altitudine, aa cum este indicat n figura 1.

Fig. 1 Regiunile atmosferei terestre Dac nu ar exista stratul de ozon, intensitatea radiaiei ultraviolete, provenite de la Soare, ar fi mult prea puternic pentru numeroase forme de via de pe Pmnt. n acest context, este evident importana monitorizrii att a grosimii stratului de ozon, ct i a impactului pe care l au diveri factori naturali, sau artificiali, asupra acestei grosimi. n partea stng a imaginii din figura 1, sunt reprezentate n culorile rou, galben i albastru, radiaiile provenite de la Soare, n spectrul luminii vizibile, iar cu violet a fost reprezentat radiaia ultraviolet, invizibil pentru ochiul uman. n partea dreapt a imaginii a fost reprezentat cu culoare roie sub forma sgeilor ondulate, radiaiile infraroii, de asemenea invizibile, percepute de om, sub form de cldur. O parte din aceste radiaii infraroii, ca i cele ultraviolete, sunt reflectate de atmosfera terestr, n timp ce Pmntul, care absoarbe aceast radiaie, degaj i el radiaii n spectrul infrarou. n aceeai perioad de nceput a anilor 80, s-a constatat de asemenea c iarna i primvara, grosimea stratului de ozon este cu cca 20% mai redus dect vara i toamna, ceea ce a determinat studierea atent a fenomenului. Astfel s-a constatat c sub aciunea radiaiilor ultraviolete avnd intensiti diferite n anotimpuri diferite, moleculele de ozon (O3) se transform n mod natural iarna i primvara n molecule de oxigen (O2), iar moleculele de oxgen (O2) se transform n mod natural vara i toamna n molecule de ozon (O3). Acest fenomen natural explic pe de-o parte variaia grosimii stratului de ozon, dar pe de alt parte, n perioada efectuarii acestor msurtori, grosimea acestui strat, devenise mult mai subire dect ar fi fost normal, n urma desfurrii procesului natural descris anterior.

Astfel a aprut ipoteza c subierea stratuluii de ozon este posibil s fie datorat aciunii unor substane produse de om. Din acest moment nu a mai fost dect un pas pn la includerea freonilor, pe lista substanelor nocive pentru stratul de ozon, deci poluante. Poluarea produs de freoni este un proces care se produce n stratosfera terestr i care este prezentat ntr-o manier schematic, n tabelul 4. Analiznd mecanismul acestui proces se observ c n ceea ce privete freonii, principalul responsabil pentru aciunea distructiv asupra ozonului, este atomul de Cl, din moleculele CFC-urilor.

Tabelul 4 Mecanismul distrugerii stratului de ozon de ctre atomii de Cl din moleculele de CFC

Molecula de CFC este

supus radiaiilor ultraviolete

Se elibereaz Cl

monoatomic

Cl monoatomic

interacioneaz cu molecula de ozon O3

Se formeaz O2 i oxid

de Cl

Oxidul de Cl

interacioneaz cu atomi de O liberi

Se formeaz molecule de O2 i se elibereaza

Cl monoatomic Sub aciunea razelor ultraviolete provenite de la soare, din moleculele freonilor se elibereaz Cl (clor monoatomic), deoarece din punct de vedere chimic, acesta prezint o legtur foarte slab (instabil) n cadrul moleculelor de CFC. Clorul monoatomic reacioneaz chimic cu ozonul (O3), care se gsete n stratosfer i rezult oxigen biatomic O2 i oxizi de clor. n acest mod, se distruge treptat stratul de ozon al planetei, avnd un binecunoscut rol protector prin filtrarea radiaiilor ultraviolete, nocive pentru sntatea uman. Problema este cu att mai grav cu ct oxizii de clor rezultai din reacia descris, nu sunt nici acetia stabili i se descompun, elibernd din nou Cl. Se produc astfel reacii n lan, prin care un singur atom de Cl poate s distrug un numr impresionant de molecule de O3. Aa se explic apariia, deocamdat deasupra celor doi poli ai planetei a aa numitelor guri n statul de ozon (zone n care perioade lungi din an ozonul lipsete complet). Fenomenul a fost posibil cu att mai mult cu ct nu numai freonii, prin atomii de Cl, ci i alte substane chimice, n primul rnd CO2, produc efecte asemntoare. n prezent exist n ntreaga lume, numeroase instalaii de puteri frigorifice mici i mijlocii ncrcate cu ageni frigorifici poluani (n sensul pericolului pentru stratul de ozon), care pun n continuare probleme legate de posibila lor "scpare" n atmosfer. Totodat se pune problema gsirii unor ageni de substituie care s fie utilizai n instalaiile frigorifice noi. n urma dovedirii tiinifice a efectelor nocive asupra stratului de ozon, produse de freoni, comunitatea internaional a luat numeroase msuri de reducere pn la zero a utilizrii acestora. De exemplu, n SUA una dintre primele msuri luate, a fost interzicerea spray-urile de orice tip, care utilizeaz ca agent propulsor CFC-urile.

n 1987, Protocolul de la Montreal, revizuit n iunie 1990, de Reuniunea de la Londra, a ngheat pentru civa ani utilizarea CFC-urilor nainte de interdicia definitiv a acestora. Ulterior, n 1992, Reuniunea sub egida ONU, desfurat la Copenhaga, ntrzierile programate la Londra, privind utilizarea CFC, au fost reduse.

Reglementrile internaionale pentru CFC i HCFC, stipuleaz n prezent urmtoarele: Pentru CFC: - oprirea produciei ncepnd din 31.12.1994; - interzicerea comercializrii i utilizrii, ncepnd din 1.01.1999, cu o derogare pentru

meninerea n funciune a instalaiilor existente, pn n 31.12.1999. Pentru HCFC: - producia este autorizat pn n 31.12.2014; - utilizarea n echipamente noi este interzis din 1.01.1996 n frigidere, congelatoare,

aparate de condiionarea aerului de pe automobile particulare, transport public i rutier, iar din 1.01.1998 i pe trenuri;

- utilizarea este interzis din 1.01.2000 n echipamente noi ale antrepozitelor frigorifice i ncepnd din 1.01.2001 n toate echipamentele frigorifice i de climatizare (cu unele excepii);

- utilizarea va fi interzis i pentru meninerea n funciune a instalaiilor existente, ncepnd din 1.01.2008.

Agenii utilizai n instalaiile frigorifice, permit obinerea unei plaje foarte largi de temperaturi, de la 20C pn la 100C, sau chiar mai sczute n anumite cazuri particulare. Evident, aceste temperaturi nu pot s fie realizate cu un acelai agent frigorific, pentru fiecare domeniu de temperaturi existnd anumii ageni frigorifici specifici recomandai. Cu toate c pe plan internaional au fost luate msuri drastice privind interzicerea utilizrii CFC-urilor, n lumea tiinific exist i opinii conform crora, potenialul distructiv al acestor substane nu este nici pe departe att de ridicat, pe ct s-a susinut. Astfel au fost enunate cteva motive care infirm prezumiile anterioare, privind rolul CFC-urilor n distrugerea stratului de ozon, respectiv n creterea nivelului radiaiilor ultraviolete:

- n natur exist numeroase alte surse generatoare de Cl. Astfel cca. 20% din clorul prezent n stratosfer provine din erupiile vulcanice, care pot accelera semnificativ procesul de reducere a grosimii stratului de ozon;

- n timp ce grosimea stratului de ozon a fost n continu scdere, o lung perioad de timp, emisiile de CFC au fost n continu cretere, deci se poate concluziona c nu a existat o corelaie direct ntre emisiile de CFC i problema ozonului;

- Cu toate c se consider c rolul ozonului este de a filtra radiaiile ultraviolete, nu este demonstrat clar c nivelul radiaiilor ultraviolete a crescut considerabil, ca urmare a reducerii grosimii stratului de ozon.

Trecnd peste aceste dispute de ordin teoretic, de altfel extrem de interesante, merit menionat faptul c dei atunci cnd se vorbete de freoni, acetia sunt asociai cu instalaiile frigorifice, totui tehnica frigului artificial nu este nici pe departe cea care a emis cele mai ridicate cantiti de CFC-uri n atmosfer. Degajri mult mai semnificative de CFC, corespund urmtoarelor ramuri industriale:

- Industriei microelectronic - utilizeaz freoni la splarea microcircuitelor electronice;

- Industria cosmetic - a utilizat freoni ca agent propulsor pentru substanele active din spray-uri.

n ambele situaii prezentate, CFC-urile au fost emise direct n atmosfer, n cantiti mari, n timp ce n cazul instalaiilor frigorifice, CFC-urile evolueaz n circuit nchis n sisteme etane, neputnd s ajung n atmosfer dect n cazuri de avarie. La ora actual,

nintea oricrei intervenii tehnice, este obligatorie, recuperarea agentului frigorific din instalaii, fiind interzis eliberarea acestuia n atmosfer. Domenii de utilizare a agenilor frigorifici Cele mai importante domenii de utilizare a freonilor i agenii de substituie pentru freonii clasici, sunt prezentate n tabelul 5.

Tabelul 5 Domenii de utilizare a agenilor frigorifici

Utilizare Agent frigorific Ageni de tranziie

Ageni considerai definitivi

Aparate casnice R12 R401A (MP39) R409A (FX56)

R134a R290 (Propan) R600a (Izobutan)

Rcitoare de ap R11 R12 R114 R22 R117 (NH3)

R123 R142b R22

R134a R404A R117 (NH3)

Frig comercial (temperaturi pozitive)

R12 R401A (MP39) R409A (FX56) R22

R134a R404A R507 R413A

Frig comercial (temperaturi negative)

R502 R402A (HP80) R408A (FX10) R403B R22

R404A R125 AZ50 R407B

Frig industrial R717 (NH3) R22

R22 R717 (NH3) R404A

Frig adnc R13B1 R13 R503

ES20 R23 R32

Climatizare R22 R500

R409B (FX57) R401B HP66)

R124a R407C Klea 66

Aer condiionat auto R12 R500

R401C (MP52) R409B (FX57) R401B (HP66)

R134a

O mare parte dintre agenii frigorifici, n special cei de substituie, reprezint amestecuri ale unor ali freoni aa cum se observ n tabelul 6.

Tabelul 6 Domenii de utilizare a agenilor frigorifici Agenti frigorifici Componeni Participaii

R401A R22/152a/124 53/13/34 R404A R125/143a/134a 44/52/4 R407C R32/125/134a 23/25/52 R409A R22/124/142b 60/25/15 R500 R12/152a 73.8/26.2 R502 R22/R115 48.8/51.2 R507 R125/143a 50/50

Tabele i diagrame termodinamice ale agenilor frigorifici n vederea realizrii calculelor termice ale ciclurilor dup care funcioneaz instalaiile frigorifice, este necesar determinarea valorilor parametrilor termodinamici ai agenilor frigorifici, n strile caracteristice ale acestor cicluri frigorifice. n acest scop, pot s fie utilizate tabele sau diagrame termodinamice. n continuare este prezentat cte un exemplu de tabel care prezint valori ale parametrilor termodinamici pentru agenii frigorifici, n stri de saturaie - tabelul 7, respectiv n stri de vapori supranclzii - tabelul 8. Ambele tabele au fost obinute cu ajutorul programului de calcul CoolPack, disponibil gratuit pe internet.

Tabelul 7 Valori ale parametrilor termodinamici la saturaie pentru R134a

Tabelul 8 Valori ale entalpiei vaporilor supranclzii pentru R134a

O alt metod rapid pentru estimarea mrimilor de stare ale agenilor frigorifici, este utilizarea diagramelor termodinamice, care permit determinarea acestor mrimi pe cale grafic i n plus au avantajul c permit reprezentarea i studierea ciclurilor termodinamice ale

instalaiilor frigorifice, respectiv pompelor de cldur. n tehnica frigului, cea mai utilizat diagram termodinamic este diagrama presiune entalpie, cu vaporile presiunii, reprezentate n scar logaritmic. Avantajul utilizrii scrii logaritmice, este c poate fi reprezentat un domeniu larg de presiuni, cu meninerea unei precizii de citirte relativ bun, pentru ntregul domeniu de presiuni. Aceste diagrame sunt denumite lgp-h, unde lgp indic scara logaritmic de reprezentare a presiunilor i h indic entalpia. n figura 2 este prezentat o asemnea diagram lgp-h, pentru R134a, realizat tot cu ajutorul programului CoolPack.

Fig. 2. Diagrama lgp-h pentru R134a