4.2.1. Sisteme frigorifice cu comprimare

Cea mai utilizată metodă de obţinere a frigului este comprimarea vaporilor agentului frigorific. Ciclul complet cuprinde următoarele etape: comprimarea (1-2), urmată de condensare (proces izoterm) (2-3), de destindere (3-4) şi de evaporare (proces izoterm) (4-1), după cum se poate observa şi în figura 4.3. În general, o instalaţie frigorifică poate funcţiona după ciclul umed sau uscat. În instalaţiile care funcţionează după ciclul umed, ventilul de destindere produce o destindere izentalpică, ceea ce duce la apariţia vaporilor umezi, după cum se poate observa şi din figura 4.4, în diagrama temperatură-entropie. În instalaţiile frigorifice care funcţionează după ciclul umed, compresorul aspiră vapori umezi, cu un conţinut destul de mare de agent frigorific lichid. Prin vaporizarea lichidului în interiorul compresorului, randamentul de utilizare al acestuia scade. De aceea, se preferă înlocuirea ciclului umed cu ciclul uscat. În ciclul uscat compresorul aspiră vapori

Fig. 4.2. Modalităţi de obţinere a vaporilor de presiune înaltă pornind de la vapori de presiune joasă.

Fig. 4.3. Schema unei instalaţii frigorifice care funcţionează prin comprimarea vaporilor agentului frigorific.

Fig. 4.4. Reprezentarea ciclului umed de comprimare în diagrama T-s.

Fig. 4.5 Schema unei instalaţii frigorifice funcţionând după ciclul uscat.

saturaţi sau puţin supraîncălziţi. Acest lucru este posibil, dacă se montează în schema procesului un separator de lichid în care intră vaporii ieşiţi din evaporator, lichidul separat revenind în conducta de intrare în evaporator. Acest aspect este ilustrat în figura 4.5.

Chiar dacă randamentul ciclului uscat este inferior celui umed, funcţionarea mai regulată şi cu randament mai bun a compresorului compensează acest dezavantaj.În acest caz, dacă agentul frigorific nu este doar condensat, ci şi răcit (subrăcit) cu câteva grade sub temperatura de condensare, va rezulta o micşorare a titrului şi o îmbunătăţire a capacităţii frigorifice a instalaţiei. Acest mod de operare este avantajos pentru acei agenţi frigorifici care au căldură specifică mare ca lichide, căldură mică de evaporare, precum şi atunci când căldura specifică a vaporilor este mică, iar diferenţa de temperatură între evaporator şi condensator este mare.

Când se doreşte obţinerea unor temperaturi scăzute (sub –20 ⁰C) este mai avantajos să se folosească sisteme în două trepte.

Fig. 4.6. Instalaţie de răcire avansată în cascadă.

Pentru temperaturi mai mici de –60 ⁰C se folosesc sistemele în cascadă. Răcirea în cascadă constă în repetarea acestui procedeu într-o instalaţie formată dintr-o succesiune de instalaţii, în care se folosesc diferiţi agenţi frigorifici, după cum se va arăta în subcapitolul de instalaţii criogenice. În figura 4.6 este prezentată schema de principiu a unui sistem în cascadă.

4.2.2. Utilaje specifice instalaţiilor frigorifice

Compresoare frigorifice

Utilajul cu acţiune dinamică al unei instalaţii frigorifice cu comprimarea mecanică a vaporilor este compresorul. O clasificare sumară a compresoarelor folosite în instalaţiile frigorifice, după modul în care se realizează creşterea presiunii, este prezentată în figura 4.7.

Fig. 4.7. Tipuri uzuale de compresoare utilizate în instalaţiile frigorifice.

Compresoarele volumice cu mişcări alternative cresc presiunea vaporilor prin micşorarea volumului de gaz din camera de pompare cu ajutorul unui piston, piston plonjor, al unui disc sau a unei diafragme. Cele rotative realizează comprimarea prin rotirea unor elemente cum ar fi rotor, tambur, pistoane, piese în şurub. La turbocompresoare, creşterea presiunii se realizează prin transformarea unei părţi a energiei cinetice a unor dispozitive aflate în mişcare de rotaţie în energie de presiune. Compresoarele cu mişcări alternative (cele cu piston) se folosesc pentru capacităţi de până la 300 kW. Turbocompresoarele se utilizează la capacităţi mai mari, de peste 500 kW. Compresoarele volumice rotative sunt de capacităţi mai mici şi se folosesc pentru frigiderele casnice şi în instalaţiile de condiţionare a aerului. Există şi alte criterii de clasificare a compresoarelor (Banu şi colab., 1998, Perry, 1998).

Condensatoarele au rolul de a transforma vaporii agentului frigorific în lichid. Ele pot prelua şi căldura de supraîncălzire a acestora, caz în care funcţionează drept condensatoare-răcitoare. Există mai multe tipuri de condensatoare folosite în instalaţiile frigorifice: răcite cu aer, răcite cu apă şi mixte. Cele răcite cu aer sunt cele mai utilizate, mai ales pentru capacităţi mici de refrigerare. Avantajul lor este disponibilitatea agentului de răcire, dar au ca dezavantaj coeficienţii de transfer de partea aerului foarte mici, în comparaţie cu cei ai apei de răcire. După cum s-a arătat la capitolul schimbătoare de căldură, în acest caz este avantajos să se folosească schimbătoare de căldură cu suprafeţe extinse, de exemplu, schimbătoare de căldură cu aripioare.

În acest caz, condensarea are loc în interiorul ţevilor, în timp ce aerul circulă în exteriorul ţevilor printre aripioare. Cele mai utilizate rămân condensatoarele răcite cu apă. În industria frigorifică se folosesc schimbătoare de căldură tubulare, cu serpentină, ţeavă în ţeavă şi cu plăci ondulate.

Vaporizatoarele frigorifice sunt schimbătoare de căldură în care agentul frigorific se vaporizează, pe seama căldurii preluate de la mediul răcit. Pentru industria alimentară au fost realizate vaporizatoare pentru răcirea lichidelor (bere, lapte, sucuri de fructe), vaporizatoare pentru răcirea aerului şi vaporizatoare pentru răcirea unor produse solide, prin contact direct cu acestea.

Vaporizatoarele pentru răcirea lichidelor pot fi prin imersie sau prin circulaţia lichidului răcit în interiorul aparatului (de tip închis). Vaporizatoarele imersate sunt cele mai vechi aparate din această categorie. Ele sunt construite sub formă de serpentine sau de grătare. Aceste evaporatoare de tip deschis sunt imersate în bazine, circulaţia lichidului fiind asigurată de agitatoare. Din categoria vaporizatoarelor de tip închis fac parte schimbătoare multitubulare orizontale. Ele sunt de construcţii diferite în funcţie de agentul frigorific şi de miscibilitatea lui cu uleiul de ungere.