1. Domeniile de utilizare a frigului artificial

Frigul artificial joacă un rol important în dezvoltarea numeroaselor ramuri ale economiei, în apariţia unor ramuri ale tehnicii precum şi în îmbunătăţirea condiţiilor de trai ale populaţiei. Se remarcă , în special, utilizarea frigului în:

- industria alimentară pentru conservarea şi transportarea produselor alimentare uşor alterabile, în vinificaţie, fabricarea berii, îngheţatei, produselor de cofetărie etc.;

- construcţia de maşini pentru obţinerea oxigenului şi gazelor inerte necesare pentru tăierea şi sudarea metalelor, precum şi pentru prelucrarea oţelurilor la temperaturi joase, ceea ce permite mărirea durităţii şi a rezistenţei. Micşorarea plasticităţii şi creşterea durităţii la temperaturi joase permite mărirea eficacităţii prelucrării mecanice a multor materiale. Trebuie de remarcat şi faptul că utilizarea frigului în tratamentul termic al metalelor permite stabilizarea dimensiunilor pieselor de precizie şi obţinerea structurii necesare;

- metalurgie pentru intensificarea proceselor de topire a oţelului, elaborarea fontei, feroaliajelor şi a metalelor neferoase prin îmbogăţirea aerului insuflat cu oxigen;

- industria chimică pentru separarea amestecurilor de gaze şi în particular, a aerului cu obţinerea oxigenului, azotului şi a gazelor inerte. De asemenea, frigul este utilizat pentru condensarea vaporilor, uscarea gazelor, separarea soluţiilor complexe, cristalizarea sărurilor, reglarea sensului şi vitezei reacţiilor chimice, precum şi în scopul extragerii deiterului din hidrogen tehnic, utilizat şi în fabricarea fibrelor sintetice, a materialelor plastice precum şi a cauciucului sintetic;

- industria farmaceutică pentru producerea medicamentelor pe bază de penicilină, streptomicină, eter etc.;

- industria minelor şi de construcţii pentru congelarea solurilor şi consolidarea minelor;- medicină pentru răcirea locală în scop de anestezie în intervenţiile chirurgicale

(criochirurgie) precum şi pentru păstrarea unor organe în scop de transplantare;- industria transporturilor feroviare, rutiere şi maritime pentru transportarea produselor

alimentare, a gazelor lichefiate şi a peştelui;- energetică pentru crearea diferitelor dispozitive bazate pe superconductibilitate,

transformatoare şi generatoare de putere mare, linii de transport a energiei electrice;- aviaţie şi cosmonautică pentru alimentarea cu oxigen a oamenilor la altitudine şi în spaţiul

cosmic, pentru condiţionarea aerului şi pentru răcirea aparaturii electronice;- sport pentru realizarea patinoarelor artificiale;- gospodărie pentru păstrarea şi tratamentul termic al produselor alimentare.

3

2. Clasificarea maşinilor frigorifice

Maşinile frigorifice se pot clasifica după: tipul de energie consumată, în funcţie de proprietăţile şi starea de agregare ale agenţilor de lucru, tipul ciclului.

După tipul de energie consumată se pot deosebi maşini cu comprimare, maşini cu consum de căldură, maşini termoelectrice precum şi maşini cu jet.

Ca sursă de energie la maşinile cu comprimare se utilizează energia electrică sau mecanică. La maşinile cu consum de căldură se referă maşinile cu sorbţie, care se clasifică la rândul lor în maşini cu absorbţie şi adsorbţie. Principiul de lucru al maşinilor cu sorbţie este axat pe realizarea succesivă a reacţiilor termochimice de sorbţie a agentului de lucru de către un sorbant, după care urmează desorbţia agentului din sorbant. Procesele de sorbţie şi desorbţie joacă în aceste maşini rolul proceselor de aspiraţie (destindere) şi refulare (comprimare) executate de compresorul mecanic. În maşinile cu adsorbţie procesul de sorbţie are loc la suprafaţa adsorbantului care se află, de regulă, în stare solidă.

Maşinile termoelectrice care au la bază efectul Peltier, permit obţinerea frigului prin utilizarea directă a energiei electrice. La trecerea curentului electric printr-un ansamblu format din două materiale diferite se constată apariţia unei deferenţe de temperatură la cele două suduri ale sistemului.

În funcţie de proprietăţile şi starea de agregare a agenţilor de lucru, maşinile frigorifice se împart în maşini frigorifice cu vapori şi cu gaze. Spre deosebire de maşinile frigorifice cu gaze la care starea de agregare a agentului nu se modifică, la cele cu vapori este necesară condensarea vaporilor comprimaţi şi vaporizarea agentului destins.

După tipul ciclului maşinile frigorifice se grupează în:- maşini care acţionează pe baza unui ciclu închis. În aceste maşini agentul de lucru trece

prin diferite elemente componente ale unui contur închis, proces în care temperatura variază între limitele impuse de cele două surse de căldură. În această categorie se încadrează maşinile cu comprimare mecanică de vapori, maşinile cu absorbţie, unele maşini cu comprimare mecanică de gaze precum şi maşinile cu ejector;

- maşini ce funcţionează pe baza unui proces deschis. Ele sunt caracterizate prin aceea că în timpul funcţionării agentul este total sau parţial extras din maşină. În locul agentului evacuat este introdusă o nouă cantitate de agent.

4

3. Principiile fizice de obţinere a temperaturilor joase

Pentru obţinerea temperaturilor moderat joase se utilizează: procesele de laminare şi de destindere adiabate, efectul turbionar (efectul Ranque), efectul termoelectric (efectul Peltier), transformările fizice ale corpurilor lichide şi solide.

2.1. Procesul de laminare

Procesul de laminare constă în expansiunea gazelor sau lichidelor la trecerea lor prin ventilele de laminare sau alte rezistenţe fără îndeplinirea lucrului exterior fiind însoţită de scăderea presiunii. Sunt două cazuri: laminarea gazului ideal şi laminarea gazului real.

2.1.1. Cazul gazului ideal

Pentru simplificarea analizei se consideră că laminarea gazului ideal are loc în condiţii

adiabate, cu neglijarea variaţiei energiei cinetice a gazului. Între secţiunile 1 şi 2 ale conductei în

care are loc laminarea (fig. 2.1), se poate scrie pentru 1kg /s de agent că q1−2=lt 1−2=0

astfel

că, aplicând ecuaţia q1−2=i+lt 1−2 rezultă: i=0 , sau i=const , ceea ce constituie

caracteristica laminării adiabatice.

În cazul ideal, deoarece i=c p ΔT

se ajunge la concluzia că T=0 sau T=const .

Schema de precizare a laminării unui gaz ideal la T>T a este demonstrată în fig. 2.2 în diagrama

T−S .

Fig. 2.1. Diagrama orificiului central S-a arătat că pierderile de presiune care însoţesc circulaţia fluidelor prin conducte, schimbătoare de căldură etc., pot fi echivalente cu efectele unor procese de laminare. Astfel,

spre exemplu, în cazul schimbătorului de căldură analizat, variaţiile temperaturilor celor două fluide pot fi schematizate sub forma unor evoluţii reversibile izobare la finele cărora se ataşează procese ireversibile de laminare, care determină scăderi de presiune echivalente cu pierderile de presiune respective.

5

Fig. 2.2. Schema de precizare în

diagrama T−S a laminării unui

gaz ideal de la T la T a

2.1.2. Cazul gazului real

În cazul gazelor reale, scăderea presiunii prin laminare este însoţită de o variaţie a temperaturii cunoscută sub denumirea de efect Joule-Tomson de laminare. Sub formă diferenţială acest efect este precizat de relaţia:

α i=(∂T∂ p )

i . (2.1)

Fig. 2.3. Schema de precizare în diagrama T−S a efectului frigorific al laminării unui gaz real aflat în

domeniul α i>0

În tehnica frigului ne interesează mai ales cazul când prin laminare temperatura scade (dT >0 ). Astfel, deoarece

dp<0 rezultă că α i<0

.Se reprezintă un proces de laminare

1−2 în domeniul α i>0

în timpul căruia presiunea scade de la

P1 la P2 , iar temperatura de la

T 1=T a până la T 2<T a .

Procesul este reprezentat în diagrama T−S (fig. 2.3). Efectul frigorific care poate fi realizat este

denumit efect izotermic de laminare Δi şi cu creşterea entropiei în procesul izobar de încălzire

6

2−2' S=S

2'−S2 . Scăderea temperaturii în procesul de laminare 1−2 este

ΔT i .

2.2. Procesul de destindere adiabată

Realizarea efectului frigorific este indisolubil legată de existenţa procesului de destindere al agentului de lucru. El se desfăşoară în detentoare, care pot fi atât volumice cât şi rotative. În

procesul de destindere al agentului de lucru de la presiunea P1 până la

P2 (fig. 2.4) se poate obţine

lucru, dacă acest proces este reversibil (procesul 1−2 ).În acest caz lucrul se realizează din contul schimbării entalpiei agentului de lucru şi se îndepărtează de la detentor. Examinăm cum se schimbă parametrii agentului de lucru care caracterizează procesul de destindere cu efectuarea lucrului exterior. Dacă procesul de destindere cu efectuarea lucrului exterior se realizează fără pierderi şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant, atunci

entropia agentului de lucru nu se schimbă, adică dS=0 . Lucrul care se realizează în procesul de

destindere (procesul 1−2 ) se îndepărtează de la sistem. Fiindcă acest lucru se realiză pe seama energiei agentului de lucru atunci temperatura lui în procesul de destindere totdeauna scade.

Fig. 2.4. Procesele de laminare şi de destindere adiabate cu îndeplinirea lucrului exterior

Scăderea tempera-turii se determină de derivata

(∂T /∂ p )S , care poate fi calificată ca coeficient de destindere adiabatică rever-

sibilă şi prin analogie cu α i

poate fi notată prin α S .

Din termodinami-că se ştie că:

α S−αi=vc p , (2.2)

unde: v - volumul spe-

cific;

c p - căldura specifică.

Fiindcă v şi c p sunt pozitive totdeauna, deci:

α S>α i .Deci, procesul de destindere adiabată cu îndeplinirea lucrului exterior este mai eficient decât

procesul de laminare adiabată. La această concluzie putem ajunge dacă examinăm aceste procese în

diagrama T−S . Procesul 1−2 este un proces de destindere adiabată cu îndeplinirea lucrului

exterior, Procesul 1−2' - proces de laminare. Din fig. 2.4 se vede că

ΔT S> ΔT i .

7

2.3. Efectul termoelectric (efectul Peltier)

După cum este cunoscut, aplicarea unei diferenţe de temperatură între punctele de sudură a două materiale diferite aduce la apariţia unei tensiuni termoelectromotoare (t.t.e.m.), care la rândul ei, generează un curent electric – efect descoperit în anul 1821 de către Seebeck. Acest efect stă la baza funcţionării sistemelor de măsurare a temperaturii denumite termocupluri. Tensiunea termoelectromotoare a unui termocuplu se determină pe baza relaţiei:

E=(α 1−α2 ) (T '−T ' ' ), (2.3)

unde α 1 ,

α 2 reprezintă coeficienţii t.t.e.m. ai celor două materiale, în V / K iar (T'−T ' ' ) -

diferenţa de temperatură aplicată.

În cazul metalelor valorile lui α sunt relativ reduse şi, implicit, diferenţa (α1−α 2) este mică; în schimb însă semiconductorii permit obţinerea unor valori importante ale t.t.e.m. care asigură funcţionarea generatoarelor termoelectrice.

În cazul când prin ansamblul format din două materiale diferite trece un curent electric se constată că temperaturile celor două puncte de sudură devin diferite, efect descoperit în anul 1834 de către Peltier. Ca şi cazul precedent efectul este nesemnificativ pentru metale, dar important mai

ales la folosirea cuplurilor semiconductoare de tip “ p ” (cu goluri) şi de tip “n ” (electronice).

Fig. 2.5. Schema unui termoelement alimentat cu curent

electric: a - în situaţia T c' '>T 0

'

; b - în situaţia T 0' '<T c

'

Sensul schimbului de căldură cu exteriorul este determinat de sensul curentului electric în circuit, aspect evidenţiat cu ajutorul fig. 2.5.

Căldura absorbită sau evacu-ată în punctul de sudură considerat este precizată de relaţia:

QP=πτ I , [J ],unde π este coeficientul lui

Peltier, în V , iar I -

intensitatea curentului electric, în A .Între coeficienţii π şi α există relaţia de legătură:

π=(α1−α 2)T=αT, (2.5)

unde α=(α1−α 2) , T este temperatura sudurii.

Pe lângă cele două efecte descrise, se constată că la trecerea unui curent electric print-un material în care există un gradient de temperatură are loc degajarea sau absorbirea, în funcţie de sensul curentului electric, a unei călduri, efect prevăzut de Thomson şi descoperit în anul 1867; acest efect nu are legătură cu cel electrocaloric de degajare a căldurii la trecerea unui curent electric print-un material având o rezistenţă electrică. Într-adevăr, la trecerea unui electron într-o zonă de temperatură mai ridicată, acesta îşi completează energia pe seama energiei atomilor care îl înconjoară ceea ce determină absorbirea căldurii; invers, la trecerea electronului într-o zonă de

8

temperatură mai coborâtă el cedează energie, ceea ce conduce la degajare de căldură.Căldura Thomson este precizată de relaţia:

QT=σ (T '−T ' ' ) I⋅τ [J ], (2.6)unde σ este coeficientul lui Thomson care poate fi corelat cu α pe baza relaţiei:

σ=TdαdT .

[ VK ]

. (2.7)Este evident că, pe lângă cele arătate, funcţionarea sistemelor termoelectrice este influenţată

şi de propagarea căldurii prin conducţie de la sudura caldă către cea rece.În continuare, se procedează la stabilirea caracteristicilor unui termoelement în ipoteza că

α este o mărime constantă. În aceste condiţii σ=0 , astfel că fluxul de căldură schimbat de sudura rece a termoelementului prezintă trei componente:

- căldura primită ca urmare a conducţiei termice (pe baza legii lui Fourier):QF=(k1+k2) (T c−T 0) τ , [J ], (2.8)

unde k 1 ,

k 2 reprezintă coeficienţii care ţin seama de conducţia termică a fiecărei ramuri a

termoelementului, în W /K :

k=λsl , (2.9)

unde: λ – conductivitatea termică a porţiunii considerate, în W /( m⋅K ) ; s – secţiunea porţiunii, în m

2;

l – lungimea porţiunii, în m .Jumătate din căldură este degajată prin efect electrocaloric Joule, cealaltă jumătate fiind

evacuată prin sudura caldă la temperatura T c :

QJ=12 ( R1+R2 ) I2 τ

, (2.10)

unde R1 ,

R2 reprezintă rezistenţele electrice ale celor două porţiuni, în Ω ;

R=ρls , (2.11)

în care ρ este rezistivitatea electrică, în Ω⋅m ;

- căldura Q0 preluată din spaţiul răcit, în J .

În regim staţionar de funcţionare suma celor trei componente este egală cu căldura evacuată pe baza efectului Peltier:

QP=Q0+12

Q J+QF, (2.12)

sau

πIτ=Q0+0 . 5 ( R1+R2) I 2τ+(k1+k 2) (T c−T 0 ) τ .

9

Din ecuaţia de bilanţ termic (2.12) se extrage fie ΔT =T c−T 0 , fie

Q0 :

ΔT =πI−0 . 5 (R1+R2) I 2−Q0

k1+k 2 ; (2.13)

Q0=πI−0 .5 (R1+R2 ) I 2−(k1+k 2) ΔT, (2.14)

unde Q0 reprezintă fluxul de căldură, în W , preluat de termoelement prin sudura rece la

temperatura T 0 .

Se observă că, pe măsură ce Q0 scade, se măreşte diferenţa de temperatură ΔT care devine

maximă la acumularea lui Q0 .

Eficienţa cuplului de materiale din care este executat termoelementul se caracterizează cu valoarea:

z= α 2

kR , (2.15)

unde α=(α1−α 2) ;

R=R1+R2 ; k=k1+k2 .

Pentru determinarea diferenţei maxime de temperatură ΔT max se pune condiţia

Q0=0;

rezultă :

ΔT max=0 .5 zT 02

. (2.16)

Materialele semiconductoare utilizate sunt, în general, aliaje pe bază de Bi , Te , Se şi Sb.

Domeniile de utilizare a efectului frigorific termoelectric sunt multiple: frigidere casnice, instalaţii de condiţionare, termostate, higrometre, aparataj medical etc.

2.4. Efectul frigorific turbionar (efectul Ranque)

Efectul frigorific turbionar, descoperit de către inginerul francez Ranque în anul 1931, are la bază un proces gazodinamic, care se desfăşoară într-un curent turbulent spaţiul de fluid compresibil vâscos. Prima cercetare experimentală a acestui efect aparţine fizicianului german Hilsch (1946).

Tubul de vârtej (fig. 2.6) constă dintr-un tub cilindric 1 prevăzut cu un ajutaj tangenţial 2, o cameră de vârtej 3, diafragma 4 cu un orificiu central şi ventilul de reglaj 5.

Prin destinderea unui gaz comprimat, de obicei aer, în ajutajul tubului, se formează un curent circular intens caracterizat prin aceea că straturile de gaz aflate în vecinătatea axei tubului se răcesc, fiind evacuate prin orificiul diafragmei, iar cele periferice se încălzesc şi părăsesc tubul prin secţiunea creată de ventil; prin reducerea acestei secţiuni are loc o creştere a debitului de gaz rece prin diafragmă concomitent cu reducerea corespunzătoare a debitului de gaz cald.

10

Fig. 2.6. Schema tubului de vârtej

Pentru aprecierea cantitativă a acestui efect se introduc următoarele notaţii:

- T , p - temperatura şi presiunea curentului de gaz comprimat la întrare în ajutaj;

- T 0 ,

p0 - temperatura şi presiunea curentului de gaz rece;

- T c ,

pc - temperatura şi presiunea curentului de gaz cald.Variaţiile de temperatură ale celor doi curenţi sunt precizate de relaţiile:

ΔT 0=T−T 0 ; ΔT c=T c−T

.

Notând cu G debitul de gaz comprimat şi cu G0 , Gc - debitele de gaz rece şi respectiv, cald rezultă că:

G=G0+Gc , (2.17)

se mai notează cu μ=

G0

G fracţiunea de gaz rece obţinut astfel că

Gc

G=1−μ

. (2.18)Între efectele de răcire şi încălzire există o relaţie de legătură care se poate obţine aplicând ecuaţia de bilanţ termic a tubului de vârtej considerat izolat adiabatic:

G⋅i=G0⋅i0+G c⋅ic , (2.19)

în care i , i0 şi

ic reprezintă entalpiile gazului comprimat, gazului rece şi gazului cald.Tubul de vârtej este utilizat pe scară largă în diferite domenii ale tehnicii. Dintre aplicaţii se

pot aminti următoarele: camera frigorifică turbionară sub vid, higrometru turbionar, carburator turbionar, termostat turbionar etc.

11

4. Diagrame de stare

Fluidele reale se comportă diferit faţă de gazul ideal. Doar în condiţii de temperaturi ridicate şi presiuni mici se apropie de gazele ideale, în realitate, comportarea fluidelor reale în cadrul transformărilor de stare este foarte complexă şi diferă de la un fluid la altul.

Discontinuitatea, caracteristică de bază a materiei, se manifestă şi în domeniul termodinamicii fluidelor, în sensul că atunci când parametrii de stare, presiune şi temperatură, ating anumite valori strict determinate şi mereu aceleaşi, un fluid real îşi schimbă brusc proprietăţile fizice. Stările sub care se poate prezenta o substanţă din punct de vedere al rezistenţei la deformare prin forţe exterioare definesc stările de agregare. Există trei stări fundamentale de agregare (solidă, lichidă, gazoasă) şi o a patra stare de agregare (plasmă). Trecerea unei substanţe dintr-o stare de agregare în alta se numeşte transformarea de fază.

Ca schimbări de fază există: - topirea;- solidificarea;- vaporizarea;- condensarea;- sublimarea;- desublimarea.Toate transformările de fază ale substanţelor pure se produc la temperatură constantă, dacă

presiunea rămâne constantă. Valorile presiunii şi temperaturii la care are loc schimbarea de stare definesc aşa numita stare de saturaţie.

Atât timp, cât nu intervine o schimbare de fază, cantitatea de căldură schimbată de un corp este proporţională cu masa corpului, cu variaţia temperaturii acestuia şi depinde de natura sa.

Rezultă:Q = m·c·ΔT, (3.43)

în care s-a notat cu Q cantitatea de căldură primită sau cedată de un corp, cu m masa corpului, cu ΔT variaţia temperaturii corpului c o mărime care caracterizează corpul din punct de vedere termic, numită căldură specifică şi măsurată în J/(kg·K) sau kcal/(kg·°C).

Căldura specifică reprezintă cantitatea de căldură necesară variaţiei temperaturii unităţii de

12

masă cu un grad Kelvin. Dacă schimbul de căldură se face la presiune constantă, căldura specifică se notează cu cp şi se numeşte căldură specifică masică la presiune constantă.

Produsul (m·c) se numeşte capacitate calorică şi reprezintă cantitatea de căldură primită sau cedată de un corp pentru a-şi modifica temperatura cu 1 grad Kelvin.

Deoarece efectul căldurii primite de corp se manifestă prin creşterea temperaturii (în cazul în care nu se produce schimbare de fază) această căldură se numeşte căldură sensibilă.

Atunci când, prin absorbţia sau cedarea căldurii de către un corp nu se produce o variaţie a temperaturii sale şi are loc o schimbare de fază, căldura se numeşte căldură latentă. Astfel, căldura necesară vaporizării unei mase de lichid se numeşte căldura latentă de vaporizare. Există similar căldura latentă de condensare, de sublimare, de topire, de solidificare, de sublimare.

Conform primului principiu al termodinamicii (relaţia 3.35) cantităţile de căldură, atât sensibile cât şi latente, pot fi exprimate, în cadrul transformărilor izobare, de variaţia entalpiei, deoarece în acest caz lucrul mecanic tehnic Lt este nul. Pentru transformările adiabate, variaţia entalpiei exprimă lucrul mecanic schimbat.

Parametrii de stare ai fluidelor reale folosite în tehnica frigului au fost măsuraţi şi calculaţi, rezultatele trecându-se în tabele sau reprezentându-se în diferite diagrame numite diagrame de vapori. Pentru fiecare fluid real se poate trasa o diagramă de stare.

Mărimile de stare pot fi împărţite în două mari clase:- mărimi de stare intensive, care sunt independente de masa m, a corpului sau substanţei,

respectiv presiunea (p) şi temperatura (T);- mărimi de stare extensive care sunt proporţionale cu masa m, a corpului sau substanţei,

respectiv

Vv

=Uu

= Ii=S

s , (3.44)în care V, v, U, u, I, i şi S, s sunt valorile şi valorile specifice ale volumului, energiei interne,

entalpiei şi entropiei.Mărimile de stare, atât cele intensive cât şl cele extensive, admit diferenţiale totale exacte.Mărimile căldură (de fapt cantitate de căldură) şi respectiv lucrul mecanic, sunt mărimi

extensive şi nu admit diferenţiale, totale exacte:

Qq

=Ll=m

. (3.45)Diagrama presiune - entalpie, larg utilizată în tehnica frigului, are reprezentate în abscisă

entalpii specifice în J/kg sau kcal/kgf, iar în ordonată presiuni în bar sau kgf/cm. Diagrama cuprinde curba de saturaţie corespunzătoare transformării de fază lichid - vapori (vaporizare) şi vapori - lichid (condensare), în fig.3.11 este reprezentată diagrama lg p – i (se preferă ca în ordonată să se reprezinte logaritmi zecimali ai presiunii în loc de presiune, acest lucru asigurând o citire mai exactă a valorilor parametrilor de stare în domeniul temperaturilor scăzute).

Câmpul diagramei este împărţit de către curba de saturaţie şi izoterma care trece prin punctul critic (numită izoterma critică) în 4 zone:

13

Fig. 3.11. Diagrama de stare presiune -entalpie (lg p – i)

- zona l de lichid, situată în stânga curbei de saturaţie până în punctul K şi sub izoterma critică. Ramura (aK) a curbei de saturaţie se numeşte curbă de saturaţie a lichidului;

- zona II de vapori supraîncălziţi, în dreapta curbei de saturaţie şi sub izoterma critică. Ramura (Kb) a curbei de saturaţie poartă denumirea de curbă de saturaţie a vaporilor;

- zona III de vapori umezi, numită astfel deoarece aici există în echilibru cele două faze, lichid şi vapori;

- zona IV de stare gazoasă.În fig. 3.12, sunt reprezentate în diagrama presiune–entalpie, principalele curbe care

exprimă transformările simple (izoterme, izobare, izocore, izentrope). Izotermele (T=const) sunt curbe de forma (a12b) care traversează zonele de lichid, vapori umezi şi vapori supraîncălziţi.

Fig. 3.12. Principalele tipuri de curbe din diagrama de stare presiune-entalpie

Izobarele (p = const) sunt drepte parale-le cu axa absciselor, de forma (c12d).

În domeniul vaporilor umezi, izotermele se suprapun peste izobare, deoarece transformarea de fază lichid - vapori are loc la temperatură şi presiune constantă.

Izentropele (s = const) sunt curbe de for-ma

(n 2 δ ), iar izocorele au forma (z 2 w) cu schimbarea de pantă în punctul de intersecţie cu curba de saturaţie.

În domeniul vaporilor umezi, mai apar pe diagramă curbele de titlu al vaporilor constant, x=const . Se defineşte titlul de vapori ca fiind raportul dintre masa vaporilor mv, şi masa totală m a agentului frigorific:

x=mv

m , [ kg vapori

kg agent ]. (3.46)

Toate curbele de titlu constant converg în punctul critic K.Există o corespondenţă biunivocă între stările fluidului real şi punctele din diagrama lg p –

14

i , adică unui punct de pe diagramă îi corespunde o singură stare a fluidului respectiv şi numai una.Diagrama temperatură - entropie (T – s) are reprezentate în abscisă entropiile specifice s în

J/(kg·K) sau kcal/(kg·°C), iar în ordonată temperatura în K. În fig. 3.13, este redată diagrama (T– s) cu principalele tipuri de curbe.Din punct de vedere al lucrului cu diagramele de stare este necesar şi util să precizăm proprietăţile fundamentale ale diagramelor lg p – i şi T – s. În diagrama lg p – i cantităţile de căldură în transformările izobare şi lucrul mecanic în transformările adiabate sunt reprezentate de segmente de dreaptă paralele cu axa absciselor, cuprinse între două drepte paralele cu axa ordonatelor care trec prin punctele de început şi sfârşit de transformare.

Fig.3.13. Principalele tipuri de curbă din diagrama de stare temperatură-entropie (T – s)

În diagrama T – s, can-tităţile de căldură în transformările izobare sunt reprezentate de arii cuprinse sub curba transformării, axa absciselor şi două drepte paralele cu axa ordonatelor, care trec prin punctele de început şi sfârşit de transformare, fapt care face ca această diagramă să se numească şi diagramă calorică.

15

5. Transformări de stare specifice tehnicii frigului şi reprezentarea lor în diagramele de stare

Dintre transformările de stare şi procesele specifice tehnicii frigului, vor fi analizate în continuare cele mai reprezentative şi anume cele corespunzătoare instalaţiilor frigorifice cu comprimare mecanica de vapori, respectiv: comprimarea, laminarea, vaporizarea şi condensarea.

Comprimarea este procesul de micşorare a volumului unui fluid, cu mărirea presiunii acestuia, sub acţiunea unor forţe exterioare, în cazul general, comprimarea este un proces politropic exprimat prin:

pV n=const , (3.47)în care n este exponentul politropic pentru gazul respectiv în condiţii precizate.

De multe ori, în practica instalaţiilor cu compresoare cu piston, comprimarea este considerată (fără prea mari erori) ca fiind adiabatică reversibilă, deci cu schimb nul de căldură cu exteriorul (ΔQ = 0).

Ţinând seama de principiul al doilea al termodinamicii aplicat la masa de 1 kg de agent frigorific (dq = Tds), deoarece dq = 0, rezultă:

Tds = 0, (3.48)adică

ds = 0. (3.49)Notând cu indicele 1 starea agentului la începutul comprimării adiabate şi cu 2 starea finală,

rezultă:s1 = s2, (3.50)

ceea ce înseamnă că în condiţii adiabatice, comprimarea este şi izentropă. Din primul principiu al termodinamicii exprimat sub forma:

dq= di–vdp = di+dlt, (3.51)rezultă că în condiţii adiabatice (dq = 0) există relaţia:

|di| = |dlt|. (3.52)Altfel spus, în cazul comprimării adiabate, lucrul mecanic de comprimare lcomp este dat de

variaţia entalpiei în timpul comprimării:lcomp=i2–i1. (3.53)

În fig. 3.14 este reprezentat procesul de comprimare în diagramele (lg p – i) şi (T – s).

16

Fig, 3.14. Reprezentarea procesului de comprimare în diagramele de stare presiune-entalpie (a) şi temperatură-entropie (b)

Laminarea este procesul de scădere al presiunii unui fluid la trecerea acestuia printr-o îngustare a secţiunii de curgere. Ea este o transformare de stare adiabatică deci are schimb nul de căldură cu mediul exterior (ΔQ = 0).

Vaporii de agent frigorific sunt gaze reale şi deci au un comportament diferit de cel al gazelor ideale. Transformările reversibile au un caracter limită, ideal. De aceea, transformările adiabatice sunt la limită izentrope deşi, în cazul general, ele sunt, de regulă, neizentrope.

Laminarea este un proces tipic ireversibil, în timpul laminării se consumă căldură datorată frecărilor sub formă de lucru mecanic disipativ, astfel încât există egalitatea:

dq fr=−vdp. (3.54)

Conform primului principiu, se poate scrie

dq fr=di−vdp, (3.55)

Dar, deoarece există relaţia:

dq fr=−vdp,

rezultă că di=0 şi deci i2=i1, (3.56)

în care i2 şi i1, sunt entalpiile specifice agentului frigorific la sfârşitul şi respectiv la începutul laminării.

Deoarece, conform principiului al doilea al termodinamicii, există relaţiadi–vdp = Tds, (3.57)

şi ţinând seama de relaţia (3.56), rezultă:Tds =–vdp,

sau:ds = – (v/T)dp, (3.58)

care exprimă variaţia entropiei în timpul unui proces de laminare.Este de reţinut faptul că laminarea adiabatică este şi izentalpică şi că în orice situaţie,

laminarea este însoţită de o scădere a temperaturii, în laminările reale, datorită existenţei frecărilor,

17

entropia creşte.Procesul de laminare este reprezentat în diagrama lg p–i şi respectiv T–s în fig. 3.15.Vaporizarea şi condensarea sunt transformări de fază la care dacă presiunea este constantă şi

temperatura este constantă. Lichidul cu starea 1 de saturaţie (fig. 3.16.), pe baza căldurii primite, începe să vaporizeze şi-şi modifică poziţia către dreapta, pe izobara-izotermă 1-2. Pentru starea 1' agentul este un amestec bifazic de vapori cu starea 2 şi lichid cu starea 1 în proporţia dată de regula pârghiei şi exprimat de titlul de vapori x1:

x1' =11'

12'. (3.59)

a) b)

Fig.3.15. Reprezentarea procesului de laminare în diagramele de stare presiune-entalpie (a) şi temperatură-entropie (b)

Altfel spus, 1 kg de amestec bifazic de stare 1' cuprinde :

{ x1' kg vapori de stare 2;

(1−x1' )kg lichid de stare 1 .

După ce ultima picătură de lichid s-a vaporizat, starea fluidului este reprezentată de punctul 2

adică vapori saturaţi uscaţi.Cantitatea de căldură necesară vaporizării complete a 1 kg de lichid este dată de segmentul

AB=12 în diagrama (p - I) şi de aria (12BA1) în diagrama (T - s).Condensarea este transformarea de fază inversă vaporizării şi se produce cu cedare de căldură,

vaporii parcurgând stările 2−1'−1 până la completa condensare.Cantitatea de căldură qvap şi qk exprimate de:

qvap=qk=i2−i1=T (s2−s1) , (3.60)- reprezintă căldura latentă de vaporizare şi respectiv căldura latentă specifică de condensare

corespunzătoare presiunii p şi implicit temperaturii de saturaţie T. Aceste călduri latente specifice diferă de la o presiune la alta şi sunt diferite pentru fluide diferite.

18

Fig. 3.16. Reprezentarea procesului de vaporizare în diagramele de stare presiune - entalpie (a) şi temperatură-entropie (b)

19

6. Clasificarea ciclurilor inversate

Agentul de lucru al maşinii frigorifice săvârşeşte ciclul inversat datorită energiei mecanice sau a altui tip de energie. Sunt trei variante ale ciclurilor inversate: de răcire, de pompă termica şi combinat.

Maşina frigorifică funcţio-nează pe baza ciclului de răcire şi serveşte pentru răcirea unui mediu oarecare sau pentru menţinerea temperaturii joase în obiectul de răcire dacă căldura de la

sursa cu temperatura joasă T stj se transmi-te la mediul ambiant. Acest ciclu inversat este prezentat

în fig. 4.1.

În procesul 4−1 de la sursa cu temperatura joasă se transmite la agentul de lucru căldura q0 , în

timpul procesului 1−2 agentul de lucru se comprimă, în timpul procesului 2−3 are loc

evacuarea căldurii q de la agentul de lucru la mediul ambiant. Procesul 3−4 prezintă destinderea

agentului de lucru cu producerea lucrului mecanic tehnic specific ld .

Fig. 4.1. Cicluri inversate în diagrama T−S : a – ciclu de răcire; b - ciclu de pompă termică; c

- ciclu combinatConform legii a doua a termodinamicii mediului ambiant i se transmite mai multă căldură decât se evacuează de la sursa cu temperatură joasă cu mări-mea lucrului mecanic specific al ciclului:

q−q0=l. (4.1)

Lucrul mecanic specific care trebuie să fie cheltuit pentru realizarea ciclului inversat este egal cu:

l=lc−ld . (4.2)Eficacitatea termodinamică a ciclului de răcire se caracterizează cu ajutorul eficienţei

frigorifice ε :

ε=q0

q . (4.3)20

Dacă căldura se transmite de la mediul ambiant la sursa cu temperatura mai înaltă, atunci maşina frigorifică funcţionează pe baza ciclului pompei termice. În acest caz maşina frigorifică se utilizează pentru termoficare. Acest mod de termoficare uneori e numit încălzire dinamică. Ciclul

de pompă termică este arătat în fig. 4.1,b. În timpul procesului 4−1 căldura se transmite de la

mediul ambiant la agentul de lucru. În procesul comprimării (procesul 1−2 ) agentului de lucru

entalpia şi temperatura se măreşte, iar în procesul 2−3 agentul frigorific transmite căldura q la sursa cu temperatură înaltă a apei sau aerului, care se utilizează pentru încălzirea locuinţelor sau

pentru alte scopuri tehnologice. Procesul 3−4 este destinderea agentului de lucru cu producerea

lucrului mecanic specific ld .

Eficacitatea termodinamică a ciclului de pompă termică se determină cu ajutorul

coeficientului de încălzire μ

μ=ql . (4.4)

Între eficienţa frigorifică şi coeficientul de încălzire există legătura:

μ=ql=

q0+ l

l . (4.5)Ciclul combinat este ciclul în care căldura se transmite de la sursa cu temperatură joasă la

sursa cu temperatură înaltă. Acest ciclu este reprezentat în fig. 4.1, c, unde 4−1 este procesul de

transmitere a căldurii q0 de la sursa cu temperatură joasă la agentul de lucru; 1−2 - procesul de

comprimare a agentului de lucru; 2−3 - evacuarea căldurii q de la agentul de lucru la sursa cu

temperatură înaltă; 3−4 - procesul de destindere a agentului de lucru cu producerea lucrului

mecanic tehnic specific ld .

Cu ajutorul ciclului combinat se poate obţine în acelaşi timp şi frig, şi căldură. Din această

cauză el se caracterizează atât de eficienţa frigorifică ε , cât şi de coeficientul de încălzire μ :

ε=

q0

lr ;

μ=qlt ,

unde lr şi

lt - lucrul mecanic tehnic specific a ciclurilor 1−b−a−4 şi b−2−3−a corespunzător. 4.2. Ireversibilitatea internă şi externă

Examinând condiţiile transmiterii căldurii de la corpul rece la corpul cald, R. Clausius a formulat legea a doua a termodinamicii astfel: "Căldura nu poate trece de la corpul rece la corpul cald de la sine fără compensări". În această formulare se subliniază necesitatea cheltuirii lucrului pentru transmiterea căldurii de la corpul rece la corpul cald (de la sursa cu temperatură joasă la mediul ambiant sau la sursa cu temperatură înaltă), deci pentru realizarea ciclului inversat circular trebuie să avem ca minimum două surse - de temperatură joasă şi înaltă (mediul ambiant) şi trebuie să cheltuim lucru (sau căldură).

Pe legea a doua a termodinamicii se bazează toată teoria termodinamică a maşinilor 21

frigorifice. Noţiunea de reversibilitate a proceselor are o importanţă fundamentală atât în fizică, cât şi în teoria maşinilor frigorifice.

Procesul se numeşte reversibil dacă după încheierea lui corpurile care au participat pot fi aduse în stare iniţială şi în legătură cu aceasta nicăeri nu vor avea loc nici un fel de transformări suplimentare.

Procesele care nu satisfac aceste condiţii se numesc ireversibile. Trebuie de remarcat faptul că procesele reale de lucru ale maşinilor frigorifice sunt procese ireversibile care se desfăşoară în condiţii de neechilibru ca urmare a existenţei unor diferenţe finite de temperatură, presiune, concentraţie precum şi a prezenţei frecărilor mecanice şi gazodinamice. În aceste condiţii, procesele de lucru ale maşinilor frigorifice pot fi clasificate în patru categorii:

- procese ideale, reversibile, atât pe plan intern cât şi extern (cazul politropiei reversibile);- procese ireversibile pe plan intern şi reversibile pe plan extern (cazul laminării adiabate):- procese reversibile pe plan intern şi ireversibile pe plan extern (cazul politropiei cu schimb

de căldură la diferenţă finită variabilă de temperatură cu o singură sursă de căldură);- procese ireversibile pe plan intern şi extern (cazul deplasării unui agent însoţită de schimb

de căldură la diferenţă finită de temperatură şi pierderi de presiune).Existenţa unor cauze care determină desfăşurarea ireversibilă a proceselor determină, în

final, gradul de perfecţiune a ciclului real de funcţionare a unei maşini frigorifice, pentru precizarea căruia este necesară compararea acestui ciclu cu cel ideal, reversibil, al maşinii frigorifice.

Deci, deosebirea dintre ciclul ideal al unei maşini frigorifice şi cel real este o consecinţă a influenţelor exercitate de ireversibilitatea internă şi externă a proceselor reale de lucru. Cu cât gradul de ireversibilitate este mai accentuat, cu atât economicitatea maşinii este mai redusă. Rezultă deci că în practică este necesară reducerea la minimum a pierderilor cauzate de ireversibilitate. Din acest punct de vedere se deosebesc două categorii de pierderi şi anume:

- pierderile proprii ale proceselor determinate de însăşi natura proceselor, aşa cum este, spre exemplu, cazul laminării;

- pierderile tehnice ale proceselor sunt pierderi care pot fi reduse la limită, şi teoretic, chiar anulate; în acest sens pierderea cauzată de ireversibilitatea transferului de căldură într-un schimbător de căldură poate fi micşorată prin reducerea diferenţei medii de temperatură, consecinţă a măririi suprafeţei de schimb de căldură.

Ţinând seama că nici pierderile proprii şi nici cele tehnice nu pot fi excluse din practica maşinilor frigorifice rezultă că este necesară într-o primă etapă, optimizarea termodinamică a ciclurilor de funcţionare, ceea ce presupune minimizarea sumei pierderilor cauzate de ireversibilitate. Plecând de la această optimizare termodinamică se trece în continuare la optimizarea termoeconomică axată pe calculul tehnico-economic.

22

7. Agenţii de lucru ai maşinilor frigorifice

Agenţii frigorifici reprezintă substanţe omogene sau amestecuri de substanţe, ale căror proprietăţi termodinamice trebuie să corespundă cerinţelor impuse de schema şi tipul maşinii frigorifice, precum şi de nivelul de temperatură al celor două surse de căldură.

5.1. Clasificarea agenţilor frigorifici şi cerinţele faţă de ei

Agenţii de lucru ai maşinilor frigorifice se grupează în mai multe categorii. Agenţii frigorifici, utilizaţi în maşinile frigorifice cu comprimare mecanică de vapori au o temperatură de vaporizare la presiunea atmosferică normală. În funcţie de această temperatură, denumită

temperatură normală de vaporizare t s , se deosebesc trei categorii de agenţi:

- cu temperatură mai ridicată de vaporizare situată între 0 ºC şi 60 ºC utilizaţi mai ales în pompele de căldură;

- cu temperatură medie de vaporizare cuprinsă între –50 ºC şi 0 ºC;- cu temperatură joasă de vaporizare plasată între –120 ºC şi –50 ºC.În funcţie de presiune agenţii frigorifici se împart în trei categorii: cu presiune înaltă, medie

şi joasă. La prima grupă se referă agenţii care au presiunea de condensare la temperatura 30 ºC între

7 şi 2 MPa , la grupa a doua – agenţii cu presiunea între 2 şi 0 .3 MPa , la grupa a treia agenţii

cu presiunea mai joasă de 0 .3 MPa . Aerul, precum şi alte gaze sau amestecuri de gaze având temperaturi joase de vaporizare, se

utilizează în maşinile frigorifice cu comprimare de gaz, în cele turbionare, precum şi în instalaţiile de lichefiere şi separare a gazelor.

Soluţii ale diferitor substanţe se utilizează în maşinile cu absorbţie.Apa e utilizată în instalaţiile cu jet de vapori. Condiţiile care trebuie să le satisfacă un agent

frigorific utilizat în maşinile cu comprimare de vapori sunt următoarele:- presiunea de vaporizare să fie superioară presiunii atmosferice, dar apropiată de aceasta în

scopul evitării infiltrării aerului în vaporizator, care împreună cu umezeala contribuie la intensificarea procesului de coroziune;

- presiunea de condensare să fie redusă cu scopul micşorării greutăţii compresorului, creşterii randamentului mecanic al acestuia şi evitării pierderilor de agent;

- puterea frigorifică specifică să fie cât mai mare, ceea ce reprezintă căldura preluată de 1

kg de agent în procesul de realizare a efectului frigorific prin vaporizare sau încălzire;- căldura specifică a agentului frigorific lichid să fie cât mai redusă în vederea micşorării

pierderilor cauzate de ireversibilitatea procesului de laminare;- volumul specific al vaporilor aspiraţi să fie cât mai redus în cazul compresoarelor cu

piston, în vederea micşorării dimensiunii acestora şi, respectiv, cât mai mare, în cazul turbocompresoarelor frigorifice pentru mărirea randamentului intern al procesului de comprimare;

- viscozitatea să fie moderată pentru îmbunătăţirea transferului de căldură şi reducerea

23

pierderilor de presiune, dar nu prea mică pentru a nu favoriza scăpările de agent frigorific;- să posede insolubilitate reciprocă a agentului frigorific în ulei în cazul compresoarelor cu

piston deoarece aceasta determină murdărirea suprafeţelor de schimb de căldură ale condensatorului şi vaporizatorului şi reducerea puterii frigorifice a maşinii;

- să nu prezinte pericol de explozie, să nu fie inflamabile şi toxice;- să posede stabilitate chimică şi pasivitate la coroziune;- să posede cost redus.Agenţii utilizaţi în maşinile frigorifice cu comprimare mecanică de gaze trebuie să aibă

temperatură normală de vaporizare cât mai coborâtă pentru a nu se lichefia sau solidifica în instalaţie.

În cazul gazelor prezintă importanţă viscozitatea, conductivitatea termică, precum şi dependenţa căldurii specifice de temperatură şi presiune.

În acest mod devine posibilă reducerea şi uniformizarea diferenţelor de temperatură necesare pentru efectuarea transferului de căldură şi prin aceasta se micşorează pierderile cauzate de ireversibilitatea acestui proces.

24

8. Proprietăţile agenţilor de lucru a maşinilor frigorifice cu comprimare mecanică de vapori

Proprietăţile fizice ale celor mai importanţi agenţi frigorifici utilizaţi în maşinile cu comprimare de vapori sunt prezentate în tab. 5.1.

În continuare vom enumera unele caracteristici ale agenţilor frigorifici utilizaţi în tehnica frigului moderat.

Amoniacul NH 3 este utilizat pe scară largă în instalaţiile frigorifice cu comprimare de

vapori cu o treaptă şi cu două trepte, precum şi în cele cu absorbţie pentru temperaturi de vaporizare

t0>− 60 ºC; temperatura normală de vaporizare a amoniacului este de t0=−33.35 ºC. Printre avantajele amoniacului se numără volumul specific mic la temperaturile de vaporizare uzuale, uşurinţa depistării scurgerilor de amoniac datorită mirosului specific, solubilitatea redusă în ulei, nu exercită acţiuni corozive oţelului, dar în prezenţa apei atacă zincul, cuprul, bronzul şi alte aliaje pe bază de cupru cu excepţia bronzului fosforos. Dintre dezavantaje se menţionează faptul că este

toxic, exploziv şi inflamabil la concentraţii de 19 . 0÷26 . 8% amoniac în aer. La temperatura de -77.7 ºC amoniacul se solidifică şi la temperatura de 260 ºC se descompune în azot şi hidrogen.

Bioxidul de carbon CO2 este utilizat în principal în instalaţiile de producere a gheţii uscate

(zăpadă carbonică). Este neutru în raport cu metalele, neinflamabil, netoxic. Dezavantajul său

constă în aceea că temperatura critică este relativ ridicată (t cr =+31° C

) la presiunea critică

Pcr=7 . 383 MPa . Din acest motiv CO2 conduce la presiuni ridicate în condensator.

Freonii sunt utilizaţi pe scară largă în tehnica frigului datorită avantajelor pe care le prezintă şi anume: nu sunt toxici, au inflamabilitate redusă, sunt neexplozivi, prezintă neutralitate chimică. De asemenea, fiind caracterizaţi prin exponenţi adiabatici mici (

k freon=1 . 12÷1 .20<k NH3=1 . 3

) freonii determină temperaturi de comprimare reduse. Ca

definiţie, freonii reprezintă derivaţi dublu halogenaţi ai hidrocarburilor saturate (Cm H2 n+2 ) obţinuţi

prin înlocuirea parţială sau completă a atomilor de hidrogen prin atomi de fluor, clor sau brom. În

consecinţă deci, formula freonilor este Cm Hn F x Cl y Br z unde n+x+ y+ y=2 m+2 .

Notaţia prescurtată a freonilor este F−N sau R−N (refrigerent), N fiind numărul freonului format din două sau trei cifre care se stabileşte după următoarele reguli:

a) la derivaţii fără atomi de hidrogen (n=0 ) prima cifră (dacă N este format din 2 cifre)

sau primele două cifre (dacă N este format din 3 cifre) definesc hidrocarbura în modul următor: 1

- pentru metan (CH 4 ); 11 - pentru etan (

C2 H6 ); 21 - pentru propan (C3 H8 ); 31 - pentru

butan (C4 H10 ). În continuare se scrie numărul atomilor de fluor (x ); exemple: freonul

CF 2 Cl2 -

difluordiclormetan: R−12 ; freonul C2 F4Cl2 - tetrafluordicloretan: R−114 ;

25

b) la derivaţii cu atomi de hidrogen (n=1,2. . .) numărul acestor atomi se adaugă în felul următor: la derivaţii metanului la prima cifră, iar la ceilalţi derivaţi, la cifra a doua; exemple:

freonul CHFCl2 - monofluordiclormetan: R−21 , freonul

C2 H3 F3 - trifluoretan: R−143 ;

c) la derivaţii cu atomi de brom (z=1,2 .. . ), după numărul principal se pune litera B după

care se scrie numărul atomilor de brom; exemplu: freonul CF 2 Br2 : R−12 B 2 .

Se remarcă faptul că la reducerea numărului atomilor de hidrogen scade inflamabilitatea şi pericolul de explozie. La creşterea numărului de atomi de fluor scade toxicitatea şi acţiunea corozivă.

26

Tabelul 5.1

Temperatu-ra normală de vaporiza-re

Agentul frigorificFormula chimică

NotaţiaMasa mole-culară

Tempe-ratura

normală de vapo-rizare,

° C

Parametrii critici Tempe-ratura de solidifi-

care, ° C

Expo-nentul adia-

batic,k

T cr , ° C Pcr ,MPa

vcr⋅103,

m3 /kg

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Înaltă

Apa H2 O - 18.016 100 374.2 22.11 3.000 0.0 1.33

Trifluoriclor-etan C2 F3 Cl 3Freon-113R – 113

187.39 47.68 214.1 3.41 1.735 -36.6 1.09

Pentan C2 H12 - 72.10 36.0 197.0 3.36 4.29 -131.5 1.09Monofluortri-

clormetanCFCl3

Freon-11R – 11

137.39 27.3 198.0 4.37 1.805 -111.0 1.13

Monofluordi-clormetan

CHFCl2Freon-21R – 21

102.92 8.90 178.5 5.16 1.915 -135.0 1.16

Tetrafluordi-clormetan

CF2 Cl−CF2 Cl

Freon-114R – 114

170.91 3.5 145.8 3.27 1.715 -94.0 1.107

Medie Amoniac NH 3 R – 717 17.031 -33.35 132.4 11.28 4.130 -77.7 1.30

Difluordiclor-metan

CF 2Cl2Freon-12R – 12

120.92 -29.8 112.1 4.11 1.793 -155.0 1.14

3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Difluormono-clormetan CHF2 Cl Freon-22R – 22

86.48 -40.84 96.13 4.93 1.905 -160.0 1.16

Difluormono-cloretanCH 3−CF 2 Cl

Freon-142R – 142

100.48 -9.25 136.45 4.138 2.35 -130.8 1.135

Trifluoretan CH 3−CF3Freon-143R – 143

84.04 -47.6 73.1 4.11 2.305 -111.3 -

Amestec azeotrop51.2% R-115+48.8% R-22

Freon-502R – 502

111.63 -45.62 82.16 4.01 1.788 - -

Joasă

Bioxid de carbon CO2 R – 744 44.10 -78.5 31.0 7.383 2.156 -56.6 1.30

Trifluormono-clormetan CF3ClFreon-13R – 13

104.46 -81.59 28.75 3.868 1.721 -180.0 -

Tetrafluor-metan CF4Freon-14R – 14

88.0 -128.02 -45.5 3.745 1.580 -184.0 1.22

Etan C2H6Freon-170R – 170

30.06 -88.6 32.1 5.03 4.7 -183.2 1.25

Amestec azeotrop 59.9% R-13+40.1% R-23

Freon-503R – 503

87.25 -87.84 19.50 4.338 - - -

4

Dezavantajele freonilor constau în viscozitatea lor foarte redusă care favorizează scurgerile precum şi solubilitatea reciprocă cu uleiul care se accentuează la mărirea presiunii şi reducerea temperaturii freonului. Tot în categoria dezavantajelor se încadrează şi faptul că freonii au o densitate mai ridicată, ceea ce determină creşterea rezistenţelor hidraulice la circulaţia lor prin conducte. Pentru limitarea acestor rezistenţe se procedează la mărirea secţiunii de trecere prin conducte. Astfel, diametrul conductei de freon-12 se impune a fi de două ori mai

mare decât cel pentru NH 3 în condiţiile aceleaşi puteri frigorifice. De asemenea, se remarcă

faptul că freonii conduc la coeficienţi de transfer de căldură sensibil mai mică în cazul amoniacului.

Freonii atacă garniturile de cauciuc şi se recomandă utilizarea unor materiale rezistente la acţiunea freonilor de tipul sevanitului sau a cauciucului freonorezistent. De regulă, apa nu se dizolvă în freoni. Pentru a evita blocarea secţiunilor de trecere se limitează procentul masic de

apă la 0 .004 %.Înlocuirea unui atom de clor cu un atom de fluor, în cazul freonilor obţinuţi din metan,

etan, propan şi butan determină reducerea temperaturii normale de vaporizare cu Δt s :

m 1 2 3 4Δt s , grd 51 44 39 35

În continuare, se prezintă unele caracteristici ale celor mai utilizaţi freoni:a) cu temperatură normală de vaporizare înaltă:

- freonul-11 , CFCl3 , este utilizat ca agent de lucru în instalaţiile frigorifice cu

turbocompresor având o putere frigorifică peste 300 .. . 500 kW în scopul condiţionării aerului, pentru răcirea apei precum şi în instalaţiile de pompe termice. Particularitatea constă în

puterea frigorifică volumică redusă (qv=176

kJ /m3 la –15 ºC), presiuni de condensare şi

vaporizare coborâte (Pc=0 .125 MPa la 30 ºC şi

P0=0 . 0235 MPa la–15 ºC);

- freonul-21 , CHFCl2 , este utilizat ca agent de lucru în instalaţiile frigorifice pentru

obţinerea unor temperaturi moderate (0 ºC) în scopul condiţionării aerului, pentru răcirea apei;

- freonul-113 , C2 F3 Cl 3 , este recomandat ca agent de lucru în instalaţiile de

condiţionare a aerului echipate cu turbocompresoare.b) cu temperatură normală de vaporizare medie:

- freonul-12 , CF 2 Cl2 , este utilizat în instalaţiile frigorifice într-o treaptă echipată cu

compresoare cu piston la temperatură de condensare t c≤ 75 ºC şi temperatura de vaporizare t0≥−40 ºC precum şi la cele cu turbocompresoare pentru t0≥−80 ºC;

- freonul-22 , CHF2 Cl

, este utilizat în instalaţiile frigorifice cu o treaptă (până la –40 ºC) şi în cele în două trepte (până la –60 ºC) echipate cu compresoare cu piston şi cu elice la

temperatura de condensare t c≤50 ºC. Se remarcă tendinţa de înlocuire a freonului-12 cu

freon-22 în cazul instalaţiilor frigorifice de puteri mari;

- freonul-142 , C2 H3 F2Cl

, este utilizat în instalaţiile de pompe termice precum şi în

5

cele de condiţionare a aerului având o temperatură ridicată de condensare (60 . .. 70 ºC) la o presiune relativ redusă de condensare;

- freonul-143 , C2 H3 F3 , are temperatura normală de vaporizare t0=−47 . 6 ºC, este

utilizat în instalaţiile frigorifice cu o treaptă. Cu aerul formează amestecuri inflamabile;c) cu temperatură normală de vaporizare joasă:

- freonul-13 , CF 3Cl

, este utilizat în instalaţiile frigorifice cu mai multe trepte şi în cele

în cascadă şi permite obţinerea unor temperaturi t0=−110 ºC;

- freonul-14 , CF4 , poate fi utilizat în instalaţiile frigorifice în trepte sau în cascadă

pentru obţinerea unor temperaturi de −100÷−140 ºC.În ultimii ani, în calitate de agenţi de lucru ai instalaţiilor frigorifice au început să fie

utilizate amestecurile azeotrope compuse din doi componenţi. Aceste amestecuri au proprietăţi

sensibile diferite de cele ale componenţilor. Astfel, un amestec, freonul-500 , format din 73 . 8

% freon-12 şi 26 . 2% freon-152 (C2 H4 F2 ) are temperatură normală de vaporizare de

−33 °C în timp ce R−12 are −29 . 8° C , iar R−152 de −25 °C . Caracteristicile amestecului azeotrop constă în aceea că presiunile de vaporizare şi condensare sunt superioare celor care caracterizează fiecare dintre componenţi. Ca urmare, pentru un regim dat amestecul

azeotrop este caracterizat prin rapoarte de presiuni Pc /P0 mai reduse şi o putere frigorifică

volumică mai mare. Unul din cele mai perspective amestecuri azeotrope este freonul-502 . El

prezintă un amestec azeotrop compus din 51 .2 % freon-115 şi 48 . 8 % freon-22 şi este utilizat pentru obţinerea temperaturilor medii şi joase. Temperatura normală de vaporizare a lui R−502 este −45. 6 ° C . Utilizarea acestui freon este cea mai eficientă în maşinile frigorifice

cu compresoare ermetice şi permite micşorarea consumului de energie cu 10÷15% şi

creşterea capacităţii frigorifice cu 80÷100 % în raport cu R−12 . Datorită temperaturilor de refulare relativ reduse nu se impun condiţii stricte către gradul de supraîncălzire a vaporilor

aspiraţi în compresor. Freonul-502 poate fi utilizat la nivelul unor temperaturi de condensare

t c =+ 40 °C.

Spre deosebire de amestecurile azeotrope amestecurile neazeotrope se caracterizează prin concentraţii de echilibru diferite ale componenţilor în faza lichidă şi în cea gazoasă. Vaporizarea şi condensarea amestecurilor azeotrope are loc la temperaturi variabile. Schimbând compoziţia acestor amestecuri se pot obţine proprietăţi care în condiţii actuale vor asigura cea mai înaltă eficienţă a proceselor maşinii: reducerea ireversibilităţii procesului de schimb de căldură la temperaturi variabile ale surselor, creşterea capacităţii frigorifice, reducerea temperaturii sfârşitului comprimării, lărgirea zonei de aplicare după temperaturile de condensare şi evaporare etc.

Agenţii frigorifici mai obişnuiţi, care fac parte din grupa hidrocarburilor, sunt: metan, etan, etilena, propilena, propan, butan izobutan şi pentan.

Analizând proprietăţile termodinamice ale acestor hidrocarburi se constată că ele au o serie de avantaje cum sunt: temperaturi de vaporizare coborâte şi respectiv temperaturi de solidificare coborâte.

6

Astfel, metanul are temperatura de vaporizare în condiţii normale, t0=−161. 5 °C

, iar temperatura de îngheţare - −182.48 °C. În domeniul temperaturilor joase, presiunile de lucru la vaporizator şi condensator sunt moderate. Astfel, lucrând cu rapoarte de presiuni relativ mici, compresorul va trebui să aibă un număr mic de trepte de comprimare. Aproape toate hidrocarburile au temperatura critică destul de coborâtă, fapt ce constituie un dezavantaj serios. Din această cauză la instalaţiile în cascadă hidrocarburile se pot folosi doar în treapta inferioară. De asemenea sunt inflamabile, formând cu aerul amestecuri explozive. Faptul că se amestecă cu uleiul contribuie la reducerea viscozotăţii acestuia. Au greutăţi moleculare mici, iar toxicitatea este redusă.

Se recomandă folosirea acestor hidrocarburi ca agenţi frigorifici, în special în industria chimică, unde de multe ori apar ca reziduuri din procesul de fabricaţie sau chiar ca materie primă. Se folosesc în instalaţii cu puteri frigorifice mari şi temperaturi joase.

7

9. Agenţii purtători de frig

În calitate de agenţi purtători de frig la nivelul frigului moderat sunt utilizate saramurile,

adică soluţiile de clorură de sodiu (NaCl ) şi clorură de calciu (CaCl2 ) în apă.

Temperatura de congelare a acestor soluţii depinde de concentraţia masică a sării în

soluţie. Pentru ξ=0 rezultă că temperatura de congelare este de 0 ºC. La creşterea

concentraţiei această temperatură scade până la o anumită valoare critică ξcr a concentraţiei,

temperatura de congelare devine minimă. În fig. 5.1 sunt arătate legile de variaţie a temperaturii

de congelare în funcţie de concentraţia ξ pentru cele două soluţii.

Punctul C este punctul criohidric. În cazul soluţiei de clorură de sodiu, temperatura

minimă de congelare în punctul criohidric este de −21 .2 ° C la ξcr=23 .1 % . În cazul soluţiei

de clorură de calciu această temperatură este de −55 °C la ξcr=29 . 9 %

.

Curba A în figura 5.1 caracterizează schimbarea temperaturii de congelare a soluţiilor

sau temperaturii de topire a amestecului, curba B este linia de solubilitate a sării în apă sau linia de degajare a cristalelor de sare.

Ca agenţi purtători de frig pot fi utilizate lichidele antigel de tipul soluţiei de etilenglicol

C2 H4 (OH )2 şi propilenglicol C3 H6 (OH )2 . De asemenea, se poate folosi în anumite

condiţii amoniacul (NH 3 ), freonul-30 (

CH 2 Cl2 ), freonul-11 (CFCl3 ).

Fig. 5.1. Influienţa concentraţiei asupra tem-

peraturii de congelare a soluţiilor de NaCl (

a ) şi CaCl2 (b )

8

10. Cercetări actuale privind limitarea efectelor negative ale agenţilor frigorifici asupra mediului ambiant

Printre efectele negative ale agenţilor frigorifici asupra mediului ambiant se remarcă încălzirea globală a planetei noastre prin distrugerea stratului de ozon şi prin intensificarea efectului de seră.

5.5.1. Contribuţia clorfluorcarbonilor la distrugerea stratului de ozon

Unii agenţi frigorifici, în special clorfluorcarburile (CFC), contribuie la distrugerea stratului de ozon. Stratul de ozon este o parte componentă vitală a atmosferei. El protejează viaţa oamenilor de efectele nocive ale radiaţiei solare ultraviolete excesive. În consecinţă substanţele chimice ce afectează stratul de ozon sunt supuse controlului. Majoritatea ţărilor din lume sau asociat cu scopul soluţionării acestei probleme. Ele au elaborat un tratat, numit Protocolul de la Montreal, pentru a stopa producerea substanţelor chimice, inclusiv a agenţilor frigorifici ce cauzează epuizarea stratului de ozon.

Ozonul (O3 ) este un gaz din atmosferă compus din trei atomi de oxigen. El se formează atunci

când razele solare ultraviolete cauzează descompunerea moleculelor de oxigen (O2 ). Atomii de

oxigen (O ) formaţi reacţionează cu moleculele de oxigen pentru a forma ozonul. Ozonul este un gaz rarefiat situat la altitudinea de 15-60 km. Acolo el formează aşa-numitul “strat de ozon”. În acest strat ozonul persistă în cantităţi foarte mici: concentraţia sa maximă la înălţimea de circa 20–25 km este doar 10 părţi la un milion.

Ozonul este unic prin faptul că el absoarbe anumite tipuri de raze ultraviolete ce nu pot fi absorbite de alte gaze din atmosferă. Cu toate acestea, o anumită cantitate de radiaţie ultravioletă este necesară pentru menţinerea vieţii, dar prea multă radiaţie ultravioletă poate avea efecte nocive. Unele din aceste efecte sunt:

creşterea riscului de cancer al pielii; creştera riscului de dezvoltare a cataractei; efecte dăunătoare asupra sistemului imun uman; reducerea recoltei culturilor agricole; efecte nefavorabile asupra dezvoltării fitoplanctonului, verigă primară în lanţul alimentar

marin.Unii agenţi frigorifici sunt atât de stabili (unii CFC nu se descompun timp de 100 ani),

încât ei nu sunt descompuşi în troposferă (partea inferioară a atmosferei). Prin circulaţia aerului aceşti agenţi frigorifici stabili se degajă în aer şi sunt dispersaţi pe tot globul, ajungând în stratosferă (partea supeioară a atmosferei). Aici ei sunt expuşi la o cantitate mai mare de radiaţie

9

ultravioletă. Razele ultraviolete puternice pot descompune agenţii frigorifici, eliberînd clorul. Clorul reacţionează cu ozonul formând oxigen. Atomul de clor doar catalizează procesul, el nu este implicat în reacţie. Cu toate acestea un singur atom de clor continuă transformarea ozonului în oxigen prin mii de reacţii similare.

Ozonul este distrus nu numai prin intermediul agenţilor frigorifici. El este distrus şi pe cale naturală, fiind transformat în oxigen de razele solare ultraviolete. Acest proces s–a petrecut pe tot parcursul existenţei Pământului, aşa cum reacţia inversă (oxigenul în ozon). Se consideră că până la introducerea substanţelor chimice produse de om, acest proces a fost în echilibru, cantitatea de ozon fiind relativ constantă.

Cercetările ştiinţifice au demonstrat că cantitatea de ozon din atmosferă în anumite regiuni şi în anumite perioade a anului s–a redus. Parţial de aceasta sunt responsabile substanţele chimice care conţin clor. Aceşti compuşi sunt utilizaţi drept carburanţi, ca agenţi de expandare, solvenţi în electrotehnică şi agenţi frigorifici. Substanţele chimice longevive cu conţinut de brom, cum sunt halonii pentru instalaţii antiincediare, de asemenea, contribuie la epuizarea ozonului.

Hidroclorfluorcarburile (HCFC) fac parte din CFC şi au fost fabricate în calitate de substituienţi. Ele sunt folosite preponderent ca agenţi frigorifici şi în producerea spumelor. HCFC sunt mai puţin periculoase decât CFC, deoarece prezenţa atomului de hidrogen le face să se descompună cu preponderenţă în straturile inferioare ale atmosferei prevenind ca o mare parte a clorului să ajungă în stratosferă.

Pentru a contribui la distrugerea ozonului, substanţa trebuie să posede două proprietăţi. Să posede clor, brom sau alţi atomi similari pentru a participa la reacţia chimică dintre ozon şi oxigen. Ea trebuie să fie longevivă în atmosfera inferioară pentru a ajunge în stratul de ozon.

Dintre freoni, cei mai nocivi sunt cei care conţin în molecula lor brom şi–l eliberează. Moleculele agenţilor frigorifici halogenaţi sunt foarte stabile, iar durata de existenţă a acestora poate atinge chiar sute de ani. Din acest considerent majoritatea freonilor eliberaţi în atmosferă constituie un pericol pentru generaţia viitoare şi pentru viitorul planetei. Durata de existenţă a unei molecule de agent halogenat este funcţie de numărul de atomi de hidrogen care au fost înlocuiţi cu atomi de clor şi în special prin atomi de fluor. Astfel, duratele de existenţă estimate sunt pentru R–22 de 20 ani, pentru R–12 – 120 ani, în timp ce pentru R–13 este de 400 ani. În consecinţă, din punct de vedere al duratei de existenţă, cei mai nocivi freoni sunt cei care nu mai conţin hidrogen în moleculă, adică R–11, R–12, R–113, R–114, R–115, R–502 ş.a.m.d.

În literatura de specialitate există referiri la ordinea nocivităţii diferiţilor freoni asupra stratului de ozon. Fiecărei molecule a unui agent halogenat i se atribuie un indice relativ de nocivitate pentru stratul de ozon, denumit “potenţial de distrugere a ozonului” şi notat prin PDO (ODP=”Ozone Depletion Potential”). Fiind cel mai nociv, freonului R–11 i s–a atribuit indicele unitar de distrugere a ozonului:

( PDO )R−11=1 .Dacă se consideră 100 % nocivitatea pentru stratul de ozon al freonului R–11, atunci,

informativ, nocivităţile altor freoni sunt după cum urmează: R–12, R–114 (100 %), R–113 (80 %), R–115 (60 %), R–502 (40 %), R–141B (10 %), R–22, R–123, R–142B ş.a.m.d.

Cu toate că procesul de epuizare a stratului creşte de la tropice spre latitudinele medii, piederile maxime au fost constatate deasupra Antarcticii în lunile septembrie şi octombrie.

Acest fenomen este numit gaură de ozon. Fiecare iarnă vortexul polar izolează o masă largă a stratosferei Antarcticii. În timpul iernii, cantitatea razelor solare se micşorează şi se face extrem de frig. Temperatura joasă favorizează creşterea norilor reci, care servesc drept suprafaţă pentru recţii chimice speciale. În pofida absenţei razelor solare, chimicalele care conţin clor şi

10

sunt “inactive” sunt transformate în forme “active”, capabile să atace ozonul. Primăvara, cînd cantitatea razelor solare creşte, acest proces se accelerează şi rezultă în distrugerea foarte rapidă a ozonului până când dispare vortexul polar, dispersând aerul în direcţia ecuatorului.

Experienţele efectuate recent în Arctica au arătat că aici sunt prezente unele mecanisme de distrugere rapidă a ozonului. Din fericire, vortexul polar în Arctica, de obicei, dispare primăvara devreme; înainte ca razele solare să reuşească să distrugă o cantitate mare de ozon şi să provoace apariţia unei găuri mari în învelişul de ozon.

În ultimii 20 ani au fost elaborate acorduri internaţionale stricte referitor la necesitatea protecţiei stratului de ozon. Primul pas de transformare a acestor acorduri în acţiuni globale a fost efectuat în martie 1985, în baza dovezilor ştiinţifice ferme că chimicalele produse de om dăunează stratului de ozon. Aceasta s–a soldat cu adoptarea la Viena a Convenţiei privind protecţia stratului de ozon. Părţile Convenţiei au căzut de acord să ia măsuri corespunzătoare pentru protecţia ozonului şi au anticipat negocierea protocoalelor de măsuri speciale.

Necesitatea unui protocol a apărut, practic, imediat, când în iunie 1985 au fost publicate primele date despre apariţia găurii de ozon în Antarctida. Negocierile globale pentru un protocol au fost puse pe primul plan şi în septembrie 1987 au rezultat în adoptarea la Montreal a Protocolului privind substanţele care distrug stratul de ozon. Protocul de la Montreal a intrat în vigoare în ianuarie 1989 şi este baza legală pentru eforturile mondiale de a proteja stratul de ozon prin intermediul controlului producerii, consumului şi folosirii substanţelor care distrug ozonul.

Actualmente Protocul de la Montreal a fost ratificat de 181 ţări, care au devenit părţi ale Protocolului şi s–au încadrat legal în condiţiile lui. Circa 1/3 sunt ţări dezvoltate, iar 2/3 sunt ţări în curs de dezvoltare. Protocolul de la Montreal original defineşte măsurile care trebuie luate de părţi pentru a limita producerea şi consumul a 5 substanţe care distrug ozonul (SDO), cunoscute în limbajul protocolului ca substanţe controlate. La întâlnirile de la Londra şi Copenhaga din 1990 şi 1992, controlul a fost înăsprit şi extins asupra altor chimicale. În loc de reducerea producerii şi consumului a doar 5 CFC şi 3 haloni, Protocolul cerea de la ţările dezvoltate să suprime eşalonat 15 CFC, 3 haloni, 34 HBrFC, tetraclorura de carbon şi metilcloroformul. Orarul reducerii de lungă durată a fost aprobat pentru 40 HCFC, care la fel va duce la suprimarea lor completă. Lista substanţelor controlate este în prezent extinsă pentru a include bromura de metil conform întrunirii a şaptea a Părţilor.

Părţile Protocolului de la Montreal au convenit de a reduce şi elimina utilizarea SDO până când vor fi accesibili substituenţi şi tehnologii alternative. Aceasta a fost recunoscută ca o strategie de succes. Industriile şi manufacturile au elaborat deja substanţe şi tehnologii alternative pratic pentru fiecare utilizare a SDO. Multe ţări deja au succese considerabile în suprimarea SDO.

Recunoscând necesitatea ţărilor în curs de dezvoltare de a creşte economic şi deoarece utilizarea lor a CFC este relativ joasă, Protocolul de la Montreal le garantează o perioadă de amânare de 10 ani, în comparaţie cu ţările dezvoltate, pentru a implementa măsurile de reducere şi suprimare a SDO. La întrunirea din 1990 de la Londra, părţile au creat un mecanism financiar care prevede asistenţa tehnică şi financiară a programelor din ţările în curs de dezvoltare care prevăd protecţia stratului de ozon. Pentru a fi eligibile de a primi suport în cadrul mecanismelor financiare, părţile trebuie să fie ţări în curs de dezvoltare şi să consume pe parcursul unui an mai puţin de 0,3 kg de substanţe controlate pe cap de locuitor. Mai mult de 100 de ţări corespund acestor criterii; ele sunt numite ţări ale Articolului 5, deoarece statutul lor este definit în Articolul 5 al Protocolului de la Montreal.

Republica Moldova a ratificat Protocolul de la Montreal, coform căruia agenţii economici

11

din ţară pot să utilizeze agenţii frigorific CFC până în anul 2008, iar HCFC până la finele anului 2030.Contribuţia clorfluorcarbonilor asupra efectului de seră şi încălzirii globale

Se ştie că o parte din energia venită de la soare este absorbită de pământ, iar altă parte este reflectată în atmosferă. Gazele care compun atmosfera, cum sunt bioxidul de carbon, vapori de apă, metanul etc., absorb o parte din această energie, producând aşa numitul efect de seră. Aceasta este un fenomen natural şi dacă nu ar exista, temperatura medie a pământului ar atinge aproximativ -18 °C, fapt ce ar duce la dispariţia vieţii, deci efectul de seră este un fenomen natural care face posibilă viaţa pe Pământ.

Dar acest echilibru natural poate fi înlăturat prin apariţia unor factori perturbatori. Astfel, dezvoltarea industriei din ultimii ani a dus la eliminarea în atmosferă a mari cantităţi de bioxid de carbon, fapt ce accentuiază efectul de seră. Această mărire a efectului de seră produce o

încălzire globală a planetei. Aşa de exemplu, dublarea concentraţiei de CO2 în atmosferă va

duce la o creştere a temperaturii medii a pământului cu 2–4 °C. De fapt, unele date indică că în ultimii 130 ani temperatura s–a ridicat cu aproximativ 0.5 °C şi se presupune că aceasta s–ar datora parţial creşterii concentraţiei gazelor cu efect de seră produse de om.

Agenţii frigorifici au aceeaşi proprietate ca şi gazele cu efect de seră. Protocolul de la Montreal conţine restricţii nu doar în baza efectului de distrugere a ozonului. De asemenea, este important de menţionat efectul încălzirii globale, care este luat în considerare de Convenţia privind Schimbarea Climei, semnată la Rio de Janeiro în 1992.

Agenţii frigorifici pot contribui la încălzirea globală prin fenomenul numit efect de seră. Acest proces are loc la rezultatul interacţiunii atmosferei cu radiaţia solară. Radiaţia solară ce ajunge la suprafaţa terestră este parţial absorbită, parţial reflectată, iradiată, fiind iarăşi emanată de suprafaţa Terrei cu diferite lungimi de undă comparative cu cele ale radiaţiei solare.

Consecinţele schimbărilor în compoziţia atmosferei asupra climei Pământului sunt greu de prognozat cu precizie. Diverse modele matematice ce simulează compoziţia atmosferei şi clima coincid numai în prognozarea lor, dacă creşterea concentraţiei gazelor cu efect de seră se va solda cu încălzirea globală, dar ele se deosebesc mult referitor la cât de mult se va încălzi. Mai mult ca atât, este cu mult mai greu de estimat cum se va schimba temperatura într–o anumită regiune a globului şi consecinţele posibile. Aceste schimbări climatice locale sunt cel mai greu de estimat.

Alte efecte presupuse că vor apărea includ: Creşterea nivelului mediu al mărilor. S–a prognozat că temperaturile majorate vor

contribui la topirea şi scurgerea în ocean a gheţii care actualmente este depozitată deasupra nivelului mării.

Clima. Modelele utilizate actualmente ne dau rezultate medii globale. Dar schimbările în temperatură, precipitaţii, strălucirea soarelui, etc. variază pe un interval mare.

Recolte. Concentraţia mai mare de CO2 poate influienţa pozitiv la creştera unor culturi,

dar nesiguranţa privind unele schimbări climatice regionale nu ne permit să prognozăm ce culturi se pot adapta la schimbări în fiecare zonă.

Ecosistemele. Ecosistemele locale sunt foarte sensibile la schimbările temperaturii,

precipitaţiilor şi umidităţii solului. Sporirea concentraţiei de CO2 favorizează creşterea

plantelor. Unele animale şi specii de plante pot dispărea în anumite regiuni dacă nu se vor adapta la noile condiţii sau migra destul de rapid în ecosisteme mai favorabile.

Agenţii CFC, HCFC şi generaţia nouă de agenţi frigorifici HFC sunt considerate gaze cu 12

efect de seră. Mulţi cred că ei vor intensifica efectul de seră şi vor contribui la încălzirea globală dacă sunt eliminaţi în atmosferă.

Odată ce gazul cu efect de seră este eliminat în atmosferă el poate contribui la încălzirea globală. Cantitatea necesară pentru aceasta depinde de capacitatea gazului de a absorbi energia infraroşie şi de perioada de timp ce trece până el este eliminat din atmosferă. Efectul total depinde de timp, deoarece o cantitate anumită de gaz eliminată în atmosferă descreşte continuu cu timpul.

Luând în consideraţie aceşti factori, se elaborează un anumit coeficient, „Potenţialul Încălzirii Globale” (PÎG), pentru a determina aportul unei anumite cantităţi la încălzirea globală. Valorile PÎG, similar valorilor PDO sunt calculate comparativ. Bioxidul de carbon are valoarea PÎG exact de o unitate, fără a lua în consideraţie timpul. Toate celelalte gaze au o valoare

raportată la valoarea PÎG al CO2 . De notat că aceste valori pot fi diferite pentru aceeaşi

substanţă în dependenţă de perioada de timp. În fig. 5.2 se conţin valorile PÎG pentru unele substanţe tipice.

Sistemele de condiţionare a aerului şi frigorifice pot contribui la încălzirea globală în alt mod. Toate aceste procese necesită energie pentru funcţionare şi în multe cazuri această energie

este curentul electric sau un combustibil. În toate cazurile, sau emisiile de CO2 sunt prezente

sau se reduce absorbţia de CO2 (prin fotosinteză).

Fig. 5.2. Longevitatea agentului şi valorile PÎG ale unor substanţe tipice

CO2 este cel mai preponderent gaz de origine antropică ce duce la încălzirea globală.

Cărbunele, petrolul şi gazul natural emană CO2 la ardere pentru a crea curent electric. Energia

este, de asemenea, consumată în crearea combustibilului nuclear cu eliminarea CO2 în

atmosferă. Sistemele cu motor cu gaz natural, sistemele cu absorbţie şi alte tehnologii de

transformare directă emit CO2 . Energia solară este una din sursele energetice ce poate fi

utilizată fără eliminarea CO2 .

13

Echivalentul total al influenţei încălzirii ţine cont de două moduri principale prin care o anumită aplicare contribuie la încălzirea globală, şi anume, efectul direct de la eliminarea agenţilor şi efectul indirect de la utilizarea energiei. Efectul direct depinde de valoarea PÎG a agentului, de cantitatea de gaz eliminată şi de perioada de timp luată în considerare. Efectul indirect depinde de eficienţa procesului (de exemplu de cantitatea de energie necesară pentru

funcţionare) şi de originea energiei (de exemplu ce cantitate de CO2 /kWt·h se produce).

11.Agenţi frigorifici de substituire

Până nu demult agenţii frigorifici de bază, care se utilizau în instalaţiile frigorifice bazate pe comprimarea vaporilor, erau cei distrugători de ozon şi anume R–12, R–22 şi R–502, în cazuri speciale se utiliza R–114, R–12B1, R–13B1 şi R–503.

În perspectivă, din toate aceste gaze refrigerante, doar R–22 va fi permis, şi oricum doar pentru o perioadă limitată de timp, deoarece şi acest agent frigorific conduce la epuizarea rezervelor de ozon, deşi neînsemnată.

În urma acestor inovaţii se aşteaptă schimbări enorme în industria refrigeratoare şi de condiţionare a aerului datorită iniţierii unei programe vaste pentru cercetarea agenţilor alternativi şi a amestecurilor de agenţi ce nu conţin clor. Toate aceste cercetări au arătat rezultate impunătoare cu perspective încurăjătoare.

La momentul de faţă se conturează următoarea schemă de substituire a agenţilor frigorifici care epuizează rezervele de ozon (fig. 5.3).

Aşadar, conform clasificării agenţilor frigorifici de substituire a celor ce distrug ozonul, toţi agenţii alternativi se divizează în două grupe: agenţi frigorifici de tranziţie, care pot fi de o singură substanţă (R–22, R–124, R–142b) cât şi amestecuri neazeotrope (binare sau triple) de freon în care predomină R–22, care se vor utiliza până la găsirea unor agenţi de lucru optimi, şi agenţi frigorifici cu o durată medie şi majoră de utilizare. Ultima grupă de agenţi frigorifici se divizează în două subgrupe: agenţi frigorifici halogenaţi fără clor (HFC) cât şi agenţi frigorifici nehalogenaţi. Din ultima subgrupă face parte amoniacul, hidrocarburile saturate sub diferite forme de substanţe singulare, cât şi sub forme de amestecuri.

Fig.5.3 Clasificarea agenţilor frigorifici alternativi

14

În tab. 5.2–5.3 sunt indicaţi agenţii frigorifici (substanţe singulare sau amestecuri) alternativi din diferite grupe, care îi substituie pe agenţii frigorifici care epuizează stratul de ozon.

Tabelul 5.2 Agenţi frigorfici de tranziţie/deservire (de alternativă pentru CFC)

Agenţi frigorifici substituiţi

Agenţi frigorifici alternativiClasificarea după

ASHRAEMarca Compoziţia

1 2 3 4

R12(R500)

R401AR401BR409AR409BR413A 5

MP39MP66FX56FX57ISCEON 49

DuPontDuPontAtochem/SolvayAtochemRhone Poulenc

R22/152a/124R22/152a/124R22/124/142bR22/124/142bR134a/218/600a

Tabelul 5.2 (continuare)1 2 3 4

R502

R22R402AR402BR403AR403BR408A

–HP80HP81ISCEON 69SISCEON 69LFX10

–DuPontDuPontRhone PoulencRhone PoulencAtochem

–R22/125/290R22/125/290R22/218/290R22/218/290 R22/143a/125

R114R124 3

R142b 1, 3

––

––

R12B1R13R503

Vezi tabelul 5.3

Tabelul 5.3

Agenţi frigorifici HFC şi amestecuri fără clor (alternativi de lungă durată)

Agenţi frigorifici substituiţi

Agenţi frigorifici alternativiClasificarea

după ASHRAE

Marca Compoziţia

R12(R500)

R134a–

R502 R404AR507R407A,

HP62, FX70AZ 50KLEA 60, 61

DuPont/AtochemAllied Signal/Solvay

R143a/R125/R134aR143a/R125R32/125/134a

15

R407B ICI

R22

R407C R32/125/134a

R410A 3 AZ20 3

SUVA 9100 3

Allied Signal/SolveyDuPont

R32/125R32/125

– ISCEON 59 Rhone Poulenc R125/134a/600aR114R12B1

R236fa 4

R227ea––

––

R13 R23 – –

R503R508AR508B

5R3Suva95

ICIDuPont

R23/116R23/116

Freonul R–134a a fost primul agent frigorific HFC lipsit de clor testat pe deplin. În prezent este folosit cu succes la multe instalaţii frigorifice şi de condiţionare a aerului. Este utilizat atât ca substanţă pură, cât şi în componenţa a mai multor amestecuri. R–134 are proprietăţi termofizice asemănătoare cu ale R–12, de aceea, se utilizează pentru substituirea lui.

Tabelul 5.4Agenţi frigorifici fără halogeni (alternativi de lungă durată)

Agenţi frigorifici substituiţi

Agenţi frigorifici alternativiClasificarea după

ASHRAEMarca Formula

R12(R500)

R290/600a 1

R600a 1, 3

––

C3H8/C4H10

C4H10

R502R717 1, 2

R290 1

R1270 1

–––

NH3

C3H8

C3H6

R22R717 1, 2

R290 1

R1270 1

–––

NH3

C3H8

C3H6

R114R12B1

R600a – C4H10

R13B1 Nu sunt disponibili agenţi direct alternativiR13R503

R170 1 –C2H6

Variaţi R744 1 – CO2

Uleiurile tradiţionale de tip sintetic şi mineral s–au dovedit a fi insolubile în raport cu R–134a, ceea ce nu permite deplasarea completă prin circuitul de refrigerare. Uleiul ce nu s–a dizolvat se opreşte în schimbătorul de căldură şi va cauza supraîncălzire, ceea ce va duce la

16

încetarea funcţionării instalaţiei. În urma unei serii de testări insistente au fost descoperiţi noi lubrifianţi cu solubilitate

potrivită, care deja sunt utilizaţi de cîţiva ani. La baza lor stă esterpoliolul şi poliglicolul (fig. 5.4). Combinaţia R–134a şi ulei pe bază de esteri absoarbe mai multă apă decât combinaţia R–12 şi ulei mineral. Deci este necesar un filtru deshidrator special – acesta trebuie să conţină site moleculare recomandate pentru structura moleculară a freonului R–134a.

În gama de refrigerare şi de condiţionare a aerului, de exemplu temperaturile de vaporizare între -15 °C şi +12 °C, factorul de putere cu R–134a este acelaşi sau mai bun decât cu R–12. În instalaţiile frigorifice de congelare, capacitatea frigorifică relativă pentru R–134a este cu 6 % mai mică la -18 °C decât pentru R–12. La temperaturi mari de vaporizare, de exemplu +10 °C, capacitatea frigorifică relativă pentru R–134a este cu 6 % mai mare. Temperatura gazului cald este cu circa 8-10 K mai mică pentru R–134a. R–134a are o structură moleculară diferită faţă de cea a R–12. Aceasta înseamnă că R–134a „scapă” mai uşor prin porii din instalaţiile frigorifice. R–134a nu este inflamabil sau toxic. La instalaţiile ermetice mici, tubul capilar trebuie să fie cu 10-15 % mai lung decât la instalaţiile cu R–12. În plus, un anumit număr de componente frigorifice trebuie dimensionate după R–134a. Ventilele electromagnetice, ventilele unisens şi regulatoarele de presiune trebuie să fie dimensionate pentru fluxul de masă schimbat şi pentru căderea de presiune modificată.

Fig. 5.4. Lubrifianţi pentru compresoare

Compoziţia şi unele proprietăţi termofizice sunt redate în tabelul 5.5.Domeniile de aplicare a agenţilor frigorific de tranziţie, a agenţilor HFC cât şi a celor

nehalogenaţi sunt redate în fig. 5.5–5.7.

17

Fig. 5.5. Domeniul de aplicare pentru HCFC şi amestecuri de deservire

Fig.5.6. Domeniul de aplicare pentru HFC şi amestecuri (PDO=0)

18

Fig. 5.7. Domeniile de aplicare pentru agenţii frigorifici nehalogeni

Tabelul 5.5Compoziţia şi unele proprietăţi termofizice ale agenţilor frigorifici alternativi

Agen-tul fri-gorific

Compoziţia (formula)

Agentul frigo-rific substituit

PDO8 PÎG9 Flami-bilita-tea

t0 6, °C

t cr 7, °C

1 2 3 4 5 6 7 8Agenţi frigorifici HCFC

R22 CHClF 2 R502 (R121) 0,05 1700Nu

-41 96R124 CHClFCF3

R1141, R–12B1 0,02 480 -11 122R142b CClF2CH 3

R12 (R500) 0,06 2000 Da -10 137Amestecuri de deservire (alternative) HFCFC/HFC

R410A R22/152a/124R12(R500)

0,03 1080

Nu

-33 108R401B R22/152a/124 0,035 1190 -35 106R409A R22/142/124 0,05 1440 -34 107R409B R22/142b/124 R500 0,05 1425 -35 105R143A R134a/218/600a R12 (R500) 0 1770 -35 101R402A R22/125/290

R502

0,02 2570

Nu

-49 75R402B R22/125/290 0,03 2240 -47 83R403A R22/218/290 0,04 2670 -50 93R403B R22/218/290 0,03 3980 -51 90R408A R22/143a/125 0,026 3050 -44 83

Agenţi frigorifici fără clor (HFC)R134a CF 3CH 2 F R12 (R221)

0

1300 Nu -26 101R152a CHF2 CH 3

Folosiţi de regulă ca component pentru amestecuri

140 Da -24 113R125 CF3 CHF 2 3200 Nu -48 66R143a CF3 CH 3 4400 Da -48 73R32 CH 2 F2 580 -52 78

19

R227ea CF3−CHF−CF3 R12B1, R1141

03300

Nu-16 102

R236fa CF3−CH 2−CF3 R1148000 -1

>120

R23 CHF 3 R13 (R503) 0 12100 Nu -82 26Amestecuri fără clor (HFC)

R404A R143/125/134a

R502

0

3750

Nu

-47 73R507 R143a/125 3800 -47 71R407A R32/125/134a 1920 -46 83R407B R32/125/134a 2560 48 76R407C R32/125/134a

R221610 -44 87

Isceon59 R125/134a/600a 2120 -43 90R410A R32/125 R221 (R13B2) 1890 -51 72FX80 R32/125 R13B2 2360 -51 70Isceon89 R125/218/290 R13B2 3090 -55 70R508A R23/116

R503 –-86 13

R508B R23/116 -88 14

Agenţi frigorifici nehalogeniR717 NH 3 R22 (R502)

0

0

Da

-33 133R600a3 C4 H10 R114, R12B1

3

-12 135R290 C3 H8 R22 (R502) -42 97R1270 C3 H6 R22 (R502) -48 92R170 C2 H6

R13, R503 -89 32R744 CO2 Diverşi 1 Nu -575 31

1 puterea frigorifică şi presiunea de vaporizare a agentului alternativ variază considerabil; 2

variaţii la temperaturi mai joase de -60°C; 3 utilizat şi în calitate de component a amestecurilor R290/600a (alternativă directă a R12); 4 valabil pentru comprimarea într–o treaptă; 5 punctul triplu la 5,27 bari, 6 temperatura de fierbere, 7 temperatura critică, 8 potenţialul de distrugere a

ozonului [R11=1,0], 9 potenţialul de încălzire globală CO2=1,0 .

12. Schemele şi ciclurile maşinilor frigorifice cu comprimare mecanică de 20

vapori. Eficiența frigorifică

Pentru obţinerea unor temperaturi joase până la −120 °C se utilizează maşini frigorifice cu vapori, care pot fi: cu comprimare într-o singură treaptă; cu comprimare în două trepte; cu comprimare în trei trepte; în cascadă.

Maşinile frigorifice cu comprimare într-o singură treaptă sunt utilizate pentru obţinerea

temperaturilor joase până la −20÷−30 °C . Cu scopul obţinerii unor temperaturi mai joase cu ajutorul maşinii cu comprimare într-o singură treaptă se recurge la perfecţionarea ciclului prin subrăcire avansată a agentului înainte de laminare, introducerea schimbului de căldură regenerativ, utilizarea unor agenţi frigorifici cu caracteristici superioare.

Scăderea continuă a temperaturii de vaporizare impune trecerea la comprimarea în două

trepte, sub −60 °C maşina în două trepte devine neeconomă, astfel încât este necesară trecerea la comprimarea în trei trepte sau în cascadă.

Superioritatea maşinilor frigorifice cu vapori constă în aceea că agenţii de lucru evoluează în domeniul vaporilor umezi, ceea ce permite realizarea proceselor izotermice prin vaporizare la preluarea căldurii de la sursa rece şi la condensarea la evacuarea căldurii către mediul ambiant. În acest mod devine posibilă reducerea pierderilor datorită ireversibilităţii transferului de căldură între agent şi cele două surse de căldură prin menţinerea diferenţelor de temperatură în limitele acceptabile.

21

22