Tema 6. Agenti Frigorifici [PDF]

Zitiervorschau

Tema 6. AGENŢI FRIGORIFICI ŞI PURTĂTORI DE CĂLDURĂ 6.1. Agenţi frigorifici 6.1.1. Definire. Proprietăţi Agentul frigorific reprezintă mediul de lucru, în cadrul unei instalaţii frigorifice, care parcurge un proces ciclic de la vaporizator, de unde preia căldura de la corpul supus răcirii, la condensator, unde cedează căldura corpului supus încălzirii (mediului ambiant). Agenţii frigorifici trebuie să prezinte următoarele proprietăţi: ♦ Proprietăţi fizice:  căldură de vaporizare mare, ceea ce înseamnă cantităţi mici de agent vehiculat prin instalaţie;  volum specific mic al vaporilor, adică sarcina frigorifică volumică mare, ceea ce se materializează prin dimensiuni mici ale compresorului;  presiune de vaporizare mai mare de 0,1 MPa pentru anu se infiltra aer şi umezeală în circuitul frigorific. Zonele de îmbinare neetanşe se detectează uşor prin proba de suprapresiune; detectarea şi etanşarea în vid sunt însă foarte dificile;  presiune de condensare mai mică decât presiunea critică pentru a putea avea loc condensarea;  raport al presiunii de condensare şi vaporizare mic şi temperatură de comprimare coborâtă;  temperatura punctului de îngheţ sub temperatura de vaporizare;  vâscozitate dinamică mică pentru micşorarea pierderilor de presiune prin conducte;  bune proprietăţi de transmitere a căldurii cu consecinţe în suprafeţe mici ale schimbătoarelor de căldură;  solubilitate suficientă în apă (eventual totală);  să nu dizolve uşor uleiul de ungere pentru ca acesta să poată fi separat uşor în separatorul de ulei, sau dimpotrivă, să îildizolve puternic pentru ca uleiul dizolvat în vapori să ajungă din nou în compresor. ♦ Proprietăţi chimice:  stabilitate chimică, ceea ce înseamnă că agenţii frigorifici nu au voie să se descompună sau să se combine cu alte substanţe în domeniul de presiuni şi temperaturi cerut;  pasivitate faţă de materialele utilizate în construcţia instalaţiei, faţă de aer, umiditate, uleiuri;

 să nu ardă şi să nu existe pericolul de a da compuşi explozivi cu aerul. ♦ Proprietăţi fiziologice:  să poată fi suportat fiziologic la concentraţii mici în aer;  să nu irite aparatul respirator;  să nu transmită mirosuri neplăcute alimentelor;  posibilitate de a fi sesizat uşor pentru detectarea neetanşeităţilor. ♦ Proprietăţi tehnico – economice:  preţ scăzut;  să fie uşor de găsit în vederea completării de către utilizator;  eficienţă teoretică mare.

6.1.2. Simbolizare Exprimarea prescurtată a derivaţilor fluor-clor cu formula CmHnClpFq, în care literele m, n, p şi q reprezintă numărul de atomi respectivi din moleculă, se face prin litera R şi un număr. În continuare este dat exemplul de simbolizare al diclortetrafluoretanului. Exemplu:

R 114

C2Cl2F4 - diclortetrafluoretan

numărul de atomi de fluor q numărul de atomi de hidrogen n + 1 numărul de atomi de carbon m - 1 Dacă m–1=0

(6.1)

atunci în simbolizare acest termen nu se mai scrie. Derivaţii metanului vor avea două cifre (de exemplu R12 pentru CCl2F2 – diclor-difluor-metan). La hidrocarburile ciclice, după litera caracteristică R se introduce litera C (de exemplu RC318 pentru C4F8 octafluorciclobutan). În unele ţări, în locul literei R se foloseşte F (în SUA) sau X. Dacă în moleculă în afară de fluor mai există brom în loc de clor, apare litera B şi o cifră egală cu numărul atomilor de brom din moleculă (de exemplu R13B1 pentru monobromtrifluormetan). În acelaşi mod se simbolizează şi hidrocarburile curate (de exemplu C2H6 R170). Amestecurile de agenţi frigorifici se simbolizează cu R urmat de un număr mai mare de 500, în ordinea importanţei (de exemplu R502 - amestec azeotrop din R22 şi R115 în proporţie masică 48,8/51,2). 2

Compuşii organici au ca simbol litera R urmată de numărul 700, la care se adaugă masa molară (de exemplu R717 pentru amoniac). Denumirile comerciale ale agenţilor frigorifici sunt în funcţie de ţările producătoare: Frigen şi Kaltron în Germania, Freon şi Genetron în SUA, Arcton în Anglia.

6.1.3. Clasificare. Alegere Clasificarea agenţilor frigorifici se face funcţie de mai multe criterii. ♦ Funcţie de gradul de periculozitate: Grupa 1: agenţi frigorifici neinflamabili, care nu au acţiune otrăvitoare sau corosivă (de exemplu hidrocarburile halogenate) Grupa 2: agenţi frigorifici neinflamabili, cu acţiune otrăvitoare sau

corosivă

considerabilă şi agenţi frigorifici a căror limită inferioară este de la 3,5 (concentraţie volumică) sau mai mult Grupa 3: agenţi frigorifici inflamabili a căror limită inferioară de explozie este sub concentraţia volumică de 3,5  Funcţie de presiunea de vaporizare corespunzătoare temperaturii de 0C: -

agenţi frigorifici de joasă presiune (R11, R113, R114) cu presiunea de vaporizare

de 0,2 MPa. Temperatura de fierbere a acestor agenţi este mai mare, de aceea se folosesc în instalaţii de turbocompresoare în domeniul climatizării şi răcirii în industria chimică şi la pompe de căldură de temperaturi înalte; -

agenţi frigorifici de presiune mijlocie (NH3, R12, R22, R502) cu presiunea de

vaporizare de 0,2 … 0,7 MPa. Aceşti agenţi sunt cei mai folosiţi pentru obţinerea temperaturilor de răcire şi congelare; -

agenţi frigorifici de înaltă presiune (R13, R13B1, R170) cu presiunea de

vaporizare de 0,7 MPa. Ei se folosesc la temperaturi joase, până la aproximativ -100C. Alegerea agenţilor frigorifici se face funcţie de tipul compresorului, temperaturile de vaporizare şi condensare, domeniul de utilizare a frigului produs. Pentru a diferenţia agenţii frigorifici după acţiunea asupra stratului de ozon, s-a introdus potenţialul de distrugere a stratului de ozon ODP (Ozone Depletion Potential). Impactul agenţilor frigorifici asupra mediului se manifestă şi prin efectul de seră. Efectul de seră direct al unui agent frigorific se apreciază prin potenţialul global de încălzire GWP (Global Warming Potential). Impactul agenţilor frigorifici din familia hidrocarburilor halogenate asupra mediului, ce conduce la GWP şi ODP, împarte aceşti agenţi, în ordinea periculozităţii lor, în patru 3

grupe: CFC (cloro-fluoro-carboni), HCFC (hidro-cloro-fluoro-carboni), HFC (hidro-fluorocarboni) şi FC (fluoro-carboni). Efectul de seră indirect al unui agent frigorific se exprimă prin impactul de încălzire echivalent total TEWI (Total Equivalent Warming Impact), definit de relaţia TEWI = m • GWP + a • E

(6.2)

în care: m [kg] – masa de agent frigorific emis în atmosfera; a [kg CO2 / kWh] – cantitatea de CO2 generată pentru producerea energiei electrice; E [kWh] – energia consumată de maşina frigorifică pe durata de viaţă . În majoritatea domeniilor de utilizare a frigului prin compresie mecanică de vapori, agentul frigorific R22 este folosit în sistemele existente, fiind cel mai adecvat pentru înlocuirea unor agenţi frigorifici poluanţi (R12, R502). Totuşi, HCFC-urile, inclusiv R22, sunt controlate prin Protocolul de la Montreal. Ca urmare, se poate considera că R22 constituie un substituent pentru o perioadă medie de timp (până în anul 2020).

6.1.4. Amoniacul Pentru instalaţiile frigorifice cu comprimare mecanică de vapori, amoniacul este încă agentul frigorific cel mai răspândit. Amoniacul prezintă următoarele avantaje: -

presiunea de condensare maximă 14 – 16 bar, în condiţiile de lucru curent întâlnite

în industria alimentară; -

presiunea de vaporizare scade sub cea atmosferică de abia la temperaturi sub -

33,4°C; -

volum specific mic la temperaturi de vaporizare uzuale;

-

căldură latentă de vaporizare mare (în jur de 1200 kJ/kg);

-

uşurinţa depistării scurgerilor de amoniac datorită mirosului caracteristic;

-

solubilitate în ulei redusă;

-

nu are acţiune corosivă asupra oţelului.

Dezavantaje utilizării amoniacului ca agent frigorific sunt următoarele: -

poate exploda în amestec cu aerul la concentraţii volumice de 15…28 sau mai

mici, dacă în amestec se află şi vapori de ulei;

4

-

este toxic, poate provoca leziuni mortale sau foarte grave, în câteva minute, la

concentraţii de 0,5 … 1 procente volumice de aer; -

corodează cuprul şi aliajele sale, zincul, bronzul.

6.1.5. Freonii Utilizarea freonilor (derivaţi halogenaţi ai hidrocarburilor) a început în anul 1930. Freonii cei mai utilizaţi sunt: R11, R12, R22, R502, R113, R114. Descoperirea acţiunii unor freoni asupra distrugerii stratului de ozon stratosferic a condus la acţiuni internaţionale privind controlul producerii şi utilizării acestora (Protocolul de la Montreal - 1987, Conferinţele de la Londra – 1990, Copenhaga - 1992, Viena - 1995). Avantajele freonilor sunt: neutralitate chimică, exponenţi adiabatici mici, temperaturi mici la finele comprimării. Freonii prezintă numeroase dezavantaje: -

vâscozitate redusă, ceea ce favorizează scurgerile de agent;

-

solubilitate cu uleiul de ungere;

-

coeficienţi de transfer de căldură mai mici decât la amoniac;

-

atacă garniturile şi se recomandă utilizarea unor materiale rezistente la acţiunea

freonilor. 6.1.6. Substituenţi ai CFC Cei mai promiţători înlocuitori ai CFC păreau a fi HCFC (hidrogen-clor-fluor-carbon) şi HFC (hidrogen-fluor-carbon), în care unul sau mai mulţi atomi de hidrogen sunt încorporaţi în legătura moleculară, înlocuind parţial (HCFC) sau total (HFC) atomii de clor. Dar, mărind conţinutul de hidrogen, pericolul inflamabilităţii devine mai mare, în timp ce, cu cât conţinutul de fluor este mai mare, cu atât mai mare este potenţialul de încălzire globală (GWP), parametru ce se referă la efectul de seră. Deci HCFC (în special R22) păreau cea mai promiţătoare soluţie de înlocuire a CFC, dar semnatarii Protocolului de la Montreal au convenit la Copenhaga ca HCFC să aibă numai un rol tranzitoriu, anul 2030 fiind limita până la care este permisă utilizarea lor. În aceste condiţii, HFC care nu conţin clor sunt freonii consideraţi înlocuitorii ideali ai CFC şi HCFC. Dintre HFC, numai R134a, R152, R23 sunt neinflamabili şi netoxici. R134a nu se poate însă utiliza la temperaturi sub –25°C, în regiuni calde şi umede, din cauza higroscopicităţii uleiului folosit.

5

6.2. Purtători de căldură Purtătorii de căldură sau agenţii intermediari de răcire sunt fluide folosite, de obicei, în fază lichidă în sisteme de răcire în care căldura este preluată de la mediul răcit şi transferată agentului frigorific. Purtătorii de căldură se utilizează în instalaţiile la care contactul agentului frigorific cu produsul răcit poate avea efecte nedorite, sau în cazurile în care eventualele scăpări de agent pot fi periculoase. Între mediul răcit şi vaporizator apare un circuit secundar parcurs de agentul intermediar, numit şi agent purtător de căldură. Purtătorii de căldură trebuie să prezinte următoarele proprietăţi: -

temperatură de congelare joasă;

-

vâscozitate redusă;

-

căldură specifică mare;

-

acţiune corosivă redusă în raport cu metalele feroase şi neferoase;

-

stabilitate chimică;

-

toxicitate redusă;

-

neinflamabilitate şi lipsa pericolului de explozie.

Cei mai utilizaţi agenţi intermediari de răcire sunt saramurile (soluţii de cloruri de sodiu şi clorură de calciu în apă) şi soluţiile apoase de alcool (alcool etilic, mono- şi dietilenglicol, propilenglicol, glicerină, poliglicoli). În funcţie de concentraţie, aceste soluţii apoase prezintă diferite temperaturi de congelare.

6