Instalație Frigorifică și de Condiționare a Aerului Necesară unei Secții de Depozitare a Piersicilor

TEMĂ PROIECT:

Să se proiecteze o instalaţie frigorifică şi de condiţionare a aerului necesară unei secţii de depozitare a piersicilor amplasată în NE-ul hălii de producţie, cu o productivitate de 6t/zi,la o temperatură de 2º în Arad.

DOMENII DE UTILIZARE A TEMPERATURILOR SCAZUTE

Tehnica frigului analizează fenomene şi procese care au loc între cca. + 100°C şi 0 grade K (– 273,15°C), stabileşte procedee de calcul şi soluţii constructive pentru realizarea unei game de maşini şi instalaţii care lucrează într-un domeniu larg de temperaturi:

• (+ 40 … + 100)°C – pompe de căldură;

• (± 0 … + 5)°C – instalaţii de climatizare şi condiţionarea aerului;

• (– 200 … ± 0)°C – instalaţii în domeniul frigului industrial:

- în industria chimică, de exemplu, domeniul acoperă inclusiv procesele de

lichefiere a aerului şi separare a unora din componentele sale;

- în industria alimentară, există aplicaţii până la temperaturi de cca. –30°C.

• (0K … – 200°C) – criogenie sau frig adânc:

- limita superioară de la care se consideră că începe domeniul criogeniei nu

este precis definită, dar diferiţi autori consideră această limită ca fiind:

1. 77K = – 196°C – temperatura de fierbere a azotului;

2. 80K = – 193°C – temperatura de fierbere a aerului;

3. 120K = – 153°C – temperatura de fierbere a metanului.

Una dintre cele mai scăzute temperaturi realizate artificial pe Pământ, a fost realizată în 1967 la "Naval Research Laboratory", având o valoare sub 10-6K. Cea mai mare producţie de frig, corespunde frigului industrial, iar între cei mai importanţi consumatori de frig sunt:

- Industria chimică, iar acesteia îi corespund cele mai mari debite de frig, la

parametrii riguros constanţi, pentru:

- evacuarea căldurilor de amestec şi de reacţie;

- separarea unor săruri din soluţii lichide;

- lichefierea unor gaze etc.;

- Industria alimentară, care necesită temperaturi scăzute:

- în reţeaua comercială;

- în depozite de produse alimentare;

- în procese tehnologice;

- Industria extractivă, unde frigul se utilizează pentru îngheţarea solului în vederea executării unor galerii;

- Industria constructoare de maşini, pentru tratamente termice, asamblări prin

fretaj, prelucrări pretenţioase prin aşchiere etc.;

- Construcţii, în vederea îngheţării solului, răcirii componentelor betonului înainte

de turnare, etc.;

- Laboratoare de cercetări, pentru studiul comportării unor materiale sau utilaje în condiţii de temperatură scăzută.

Principiul de funcţionare a instalaţiilor frigorifice

Instalaţiile frigorifice şi pompele de căldură, sunt maşini termice care au rolul de a prelua căldura de la un mediu având temperatura mai scăzută şi de a o ceda unui mediu având temperatura mai ridicată. Acesta poate să fie considerat cel mai simplu model de instalaţie frigorifică, deoarece nu conţine nici un element de natură constructivă. Din acest punct de vedere poate să fie asimilat cu o "cutie neagră", a cărei funcţionare va fi analizată în continuare şi care urmează să fie deschisă pentru a i se studia componenţa şi a i se releva secretele de proiectare, exploatare şi automatizare.

Mediul cu temperatura mai scăzută, de la care se preia căldură este denumit sursa rece, iar mediul cu temperatura mai ridicată, căruia i se cedează căldură, este denumit sursa caldă. Este cunoscut că având capacitate termică infinită, temperaturile surselor de căldură rămân constante chiar dacă acestea schimbă căldură.

Fluxul de căldura absorbită de la sursa rece a fost notat cu 0 Q & , iar fluxul de căldură cedată sursei calde, a fost notat cu k Q & . Conform principiului doi al termodinamicii, pentru transportul căldurii, în condiţiile prezentate, este necesar şi un consum de energie, notat cu P.

În cazul instalaţiilor frigorifice, sursa rece se găseşte sub temperatura mediului ambiant, iar procesul de coborâre a temperaturii sub această valoare, este denumit răcire

Agentul de lucru, care evoluează în aceste instalaţii, este denumit agent frigorific.

Pentru a putea să preia căldură de la sursa rece, agentul frigorific trebuie să aibă temperatura mai mică decât aceasta.

În timpul preluării de căldură de la sursa rece, agentul frigorific se poate comporta în două moduri diferite:

- se poate încălzi mărindu-şi temperatura;

- poate să-şi menţină temperatura constantă.

Cele două posibile variaţii de temperatură (t) a agentului de lucru, de-a lungul

suprafeţelor de schimb de căldură (S), sunt prezentate în figurile 1.2 şi 1.3. Cu tr a fost notată temperatura sursei reci, iar săgeţile reprezintă sensul transferului termic (de la sursa rece la agentul frigorific).

Este evident că menţinerea constantă a temperaturii agentului frigorific în timpul preluării de căldură, este posibilă numai în condiţiile în care se produce transformarea stării de agregare şi anume vaporizarea.

Relaţiile pentru calculul căldurii absorbite (Q0) în cele două situaţii sunt:

Q m c t [kJ] 0 1 p = Δ (1.1)

pentru cazul fără schimbarea stării de agregare, unde m1[kg] este cantitatea de agent de lucru care se încălzeşte, cp[kJ kg-1K] este căldura specifică, iar Δt[K] este variaţia temperaturii agentului frigorific între stările de ieşire şi intrare, în contact termic cu sursa rece, respectiv:

Q m r [kJ] 0 2 = (1.2)

pentru cazul cu schimbarea stării de agregare, unde m2[kg] este cantitatea de agent de lucrucare vaporizează, iar r[kJ kg-1] este căldura latentă de vaporizare a agentului frigorific, la temperatura de vaporizare t0.

Pentru a se realiza un transfer termic eficient, Δt este limitat la cel mult câteva grade.

Schimbul de căldură la diferenţe finite de temperatură este însoţit de ireversibilităţi de natură internă şi cu cât diferenţele de temperatură sunt mai mari, cu atât transferul termic este mai puţin eficient. Din această perspectivă este preferabilă varianta cu schimbarea stării de agregare, căreia îi corespunde o temperatură constantă a agentului frigorific şi o diferenţă de temperatură constantă, care poate să fie micşorată prin soluţii tehnologice. În varianta fără schimbarea stării de agregare, pentru a absorbi mai multă căldură, este nevoie de o încălzire mai pronunţată a agentului frigorific, însoţită şi de creşterea diferenţei medii de temperatură, faţă de sursa rece, deci de un caracter ireversibil mai accentuat. În aceste condiţii, pentru orice substanţă r>>cpΔt. Comparând relaţiile (1.1) şi (1.2) apare evident că pentru a absorbi aceeaşi căldură Q0, fără schimbarea stării de agregare este necesară o cantitate mult mai mare de agent frigorific, decât în cazul cu schimbarea stării de agregare, deci m1>>m2. Acesta este al doilea motiv pentru care este preferabilă varianta cu schimbarea stării de agregare.

Dacă se consideră cazul funcţionării continue a acestor tipuri de instalaţii, mărimea caracteristică pentru intensitatea transferului termic nu mai este căldura, ci fluxul termic absorbit de agentul frigorific de la sursa rece, sau sarcina termică a vaporizatorului, mărime notată cu 0 Q & . Această mărime este denumită şi putere termică, iar în cazul instalaţiilor frigorifice putere frigorifică. Pentru a rescrie relaţiile (1.1) şi (1.2), folosind această mărime, cantităţile de agent frigorific, m1 şi m2, trebuie să fie înlocuite cu debitele masice, notate cu1 m& respectiv 2 m& . Dacă se împart cele două relaţii la timp, se obţine:

Q m c t [kW ] 0 1 p & = & Δ (1.3)

Q m r [kW ] 0 2 & = & (1.4)