Curs Practic de Refrigerare - Componentele principale ale tehnologiilor de refrigerare
1. Procesul termodinamic
În termeni simpli, primul principiu al termodinamicii precizează că energia nu se pierde, ci se transformă pur și simplu într-o nouă formă de energie. Acest principiu este deosebit de important atunci când sunt luate în considerare fluxurile energetice din tehnologiile de refrigerare și de aer condiționat. Prin urmare, bilanțul energetic trebuie să fie coerent. Dintr-o perspectivă mai simplă, se poate observa că la energia termică absorbită în evaporator se adaugă în jur de ⅓ de la compresor ca putere de acționare. Întreaga energie amintită trebuie apoi eliberată din nou pe partea de înaltă presiune a sistemului de refrigerare sau, în mod ideal, reutilizată (utilizarea căldurii reziduale sau recuperarea căldurii).
Al doilea principiu al termodinamicii nu este mai puțin crucial atunci când vine vorba de tehnologiile de refrigerare. Se afirmă astfel că energia (termică) se transmite în mod natural doar de la un corp mai cald la un corp mai rece. În eventualitatea în care este utilizată energie suplimentară, acest efect poate, însă, fi și inversat, lucru demonstrat, de exemplu, de fluxul total de energie în cazul unei pompe de căldură geotermală. Aceasta implică utilizarea de energie din solul rece pentru încălzire. Cu toate acestea, transmisiile energetice individuale respectă întotdeauna principiul „de la cald la rece!”
Al treilea principiu al termodinamicii derivă din cel de-al doilea. Atunci când căldura „trece” în mod natural de la cald la rece, acest lucru înseamnă că un zero absolut nu poate fi atins niciodată, cel puțin nu prin mijloace termodinamice. Acesta se definește ca fiind 0 K sau -273,15°C și descrie o stare în care particulele sunt imobile.
2. Principalele patru componente ale circuitelor frigorifice cu comprimare
În general, circuitele frigorifice cu comprimare pot fi definite prin intermediul a 4 componente principale:
1) evaporator
2) condensator
3) compresor
4) unitate de expansiune
Reprezentarea grafică evidențiază aceste componente principale ale unui circuit de agenți de refrigerare. Se poate vedea un ciclu în sens antiorar în care agentul frigorific circulă într-un circuit închis și astfel suferă două schimbări ale stării de agregare.
2.1 Evaporatorul
Evaporatorul reprezintă o componentă deosebit de importantă a unui circuit de agenți de refrigerare. Practic, acesta formează „interfața” sistemului de refrigerare cu agentul supus răcirii.
Există diferite versiuni de evaporatoare, după cum urmează:
• schimbătorul de căldură laminat: mediul supus răcirii este, de exemplu, aerul;
• schimbătorul de căldură cu plăci sau cu tole (tuburi plate): pentru lichidele de răcire;
• evaporatorul de contact: pentru transferul termic al solidelor
În cazul tuturor posibilităților menționate mai sus, fluxul de căldură este același, și anume de la „cald” la „rece”. În condiții de presiune scăzută (presiune de aspirație), cea mai mare parte a agentului frigorific ajunge în evaporator încă în stare lichidă. Acolo, acesta se evaporă prin absorbția căldurii care, în mod ideal, provine în totalitate de la substanța supusă răcirii.
Obiectivul este injectarea cantității de agent frigorific în evaporator, ceea ce înseamnă că energia din materialul supus răcirii este suficientă pentru o tranziție completă de la lichid la vapori. Cea mai mică valoare posibilă de supraîncălzire a vaporilor din ultima parte a evaporatorului servește ca proces de control necesar pentru unitatea de injecție. În același timp, este garantat faptul că nu ajung cantități de lichid în compresor atunci când apar, de exemplu, fluctuații de sarcină. Prin urmare, evaporatorul și componentele unității de expansiune trebuie să fie foarte bine coordonate.
Coordonarea poate avea o influență semnificativă asupra eficienței și fiabilității sistemului. O temperatură de evaporare corespunzătoare și funcția de supraîncălzire a evaporatorului servesc ca măsură de referință pentru o evaporare eficientă. Ambele valori pot fi determinate în mod fiabil cu un manifold digital.
În mod normal, procesul de răcire este controlat printr-un termostat care oprește punctul de refrigerare sau chiar întregul sistem de refrigerare. Atunci când decongelarea devine necesară la nivelul vaporatorului, aceasta reprezintă o altă întrerupere la punctul de refrigerare.
Recomandări privind decongelarea:
• Nu prea devreme: deoarece o congelare insuficientă sau absentă înseamnă un aport inutil de căldură și o întrerupere a procesului de răcire.
• Nu prea târziu: deoarece congelarea puternică la nivelul evaporatorului afectează semnificativ transferul de căldură.
• Nu mai mult decât este necesar: deoarece aportul excesiv de energie provenit de la încălzirea pentru decongelare trebuie să fie din nou îndepărtat din sistemul de refrigerare.
• Cât se poate de eficient: nu decongelați folosind elemente de încălzire separate într-un răcitor cu aer, ci utilizați căldura de condensare „proprie” a sistemului de la „interior la exterior” (dezghețarea cu vapori calzi sau reci, schimbarea funcțiilor) și permiteți utilizarea în procesul de răcire a căldurii necesare pentru a topi gheața.
• În mod controlat: decongelare prin intermediul controlerelor inteligente sau prin monitorizare de la distanță; așezați sonda de finalizare a decongelării în poziția corectă în evaporator.
• Bine planificat: va fi efectuat ca un proces de decongelare executat la cerere.
În cazul evaporatoarelor laminate, dirijarea aerului prin ventilatoare reprezintă un aspect important în ceea ce privește evaluarea eficienței schimbătorului de căldură.
În plus, distanța de proiecție a ventilatorului și debitul volumic de aer impuse de respectivele elemente supuse răcirii trebuie ajustate. Pornirea și oprirea inteligentă a ventilatoarelor în faza de inactivitate permite, printre altele, următoarele:
• îmbunătățirea calității elementelor supuse răcirii;
• amânarea necesității decongelării;
• optimizarea bilanțului energetic al siste-mului de refrigerare.
2.2 Condensatorul
Rolul condensatorului în cadrul unui sistem de refrigerare este de a disipa energia termică absorbită de la elementele supuse răcirii, precum și majoritatea energiei electrice asimilate din compresor în timpul procesului de compresie. Puterea la ieșire a condensatorului este de aproximativ 1,3 ori mai mare decât cea a evaporatorului (valoarea dereferință).
Exact ca în cazul evaporatorului, condensatorul poate fi laminat, răcit cu lichid sau căldura acestuia poate fi disipată într-un solid. Utilizarea căldurii pentru alt proces (utilizarea căldurii reziduale / recuperarea căldurii) reprezintă un aspect esențial când este vorba despre planificarea unui sistem eficient din punct de vedere energetic. Aceasta implică lichefierea prin eliberare de căldură a agentului frigorific în stare de vapori, supraîncălzit, aflat sub presiune ridicată.
În principiu, un condensator este alcătuit din trei secțiuni:
• zona de extracție a căldurii
• zona de lichefiere
• zona de subrăcire
Lichefierea agentului de refrigerare necesită cel mai mult spațiu. După comprimare, prima etapă implică răcirea vaporilor de agent frigorific supraîncălziți până la o temperatură de condensare corespunzătoare. În acest moment, în condensator apare prima picătură de agent frigorific în stare lichidă. Pe măsură ce disiparea căldurii continuă în zonele apropiate, picătura își mărește dimensiunea, până când nu mai există vapori de agent frigorific. În acest moment este posibil să intervină o ușoară subrăcire a agentului frigorific, dacă respectivul condensator este proiectat în mod adecvat.
Acest lucru depinde de cât de curate sunt suprafețele de schimb de căldură, în special în cazul condensatoarelor răcite cu aer. Transferul termic este afectat dacă există impurități, ducând la o eficiență redusă a schimbătorului de căldură. La rândul său, acest lucru duce la scăderea indicilor de performanță, la o disponibilitate redusă a sistemului de refrigerare sau chiar la defectarea acestuia.
Utilizarea energiei termice nu este obligatorie doar la proiectarea unui sistem, ci reprezintă, de asemenea, o opțiune inteligentă în cazul retehnologizării sistemelor existente. De regulă, căldura pentru decongelare poate fi folosită (foarte eficient și eficace) pentru încălzirea încăperilor, a apei potabile sau în alt proces tehnice. În special în cazul încălzirii încăperilor sau a apei potabile, este eficient din punct de vedere energetic să fie utilizată exclusiv energia termică disponibilă în momentul respectiv, fără măsuri suplimentare (de exemplu, creșterea nivelului presiunii).
În cazul în care un sistem de refrigerare funcționează intermitent, utilizarea unităților de stocare de tip tampon este o opțiune viabilă. Cu toate acestea, apa potabilă caldă nu trebuie depozitată din motive de igienă, ci trebuie încălzită doar în funcție de necesitate, în așa numitele încălzitoare instantanee.
2.3 Compresorul
Compresorul reprezintă acea componentă a unui circuit de agenți de refrigerare care necesită cea mai multă energie. Prin urmare, la proiectarea acestor sisteme, accentul ar trebui să se pună pe utilizarea eficientă a acestuia.
În general, se face o distincție între trei tipuri diferite de carcase:
• compresor închis integral ermetic: compresor sigilat ermetic, capacități mai mici, motor electric și compresor inaccesibile din exterior, motor electric răcit cu vapori de aspirație reci (răcire cu vapori de aspirație) și/sau cu ulei (răcire cu ulei);
• compresor închis semiermetic: capacități medii și mai mari, motor electric și compresor interconectate solid în carcasă, motor răcit cu vapori de aspirație reci sau cu un ventilator montat în mod corespunzător, posibilitate de înlocuire a motorului electric și acces nerestricționat la plăcile supapei compresorului pentru activități de service;
• compresor deschis: compresor și dispozitiv de acționare interconectate în general magnetic sau printr-un arbore. Agentul frigorific nu circulă prin motorul electric, ci este direct atras în interior de către compresor, este posibilă montarea flanșei pe o cutie de viteze, iar accesul la plăcile supapei compresorului este nerestricționat pentru activitățile de service. Aceasta implică răcirea activă sau pasivă a motorului electric cu ajutorul aerului ambiental.
Sarcina compresorului la nivelul circuitului de agenți de refrigerare este de a aspira vaporii supraîncălziți de pe conducta de aspirație (presiune de aspirație) și de a-i comprima la un nivel ridicat de presiune. Acest nivel se bazează pe raportul dintre capacitatea condensatorului în condiții ambientale adecvate și sarcina curentă a sistemului, fiind în continuă schimbare. Fluctuațiile la nivel de sarcină și modificările sezoniere din timpul zilei/nopții sau temperaturile anuale mai mari/mai mici sunt doar o parte dintre factorii care influențează astfel de procese.
De aici rezultă faptul că așa numita cursă de presiune la nivel de compresor și, implicit, efortul și eficiența, de asemenea, sunt variabile. Există riscul, în special la temperaturi exterioare mai scăzute, ca întreaga capacitate a condensatoarelor răcite cu aer să devină considerabil prea mare din cauza temperaturilor exterioare mai scăzute. În acest caz este necesar un control corespunzător al capacității. Cea mai simplă opțiune este controlul vitezei ventilatoarelor în funcție de frecvență. În cazul sistemelor de refrigerare care pot fi oprite pe o perioadă lungă de timp într-un mediu rece, este necesară montarea unui dispozitiv de control al presiunii receptorului. Astfel poate fi evitată ciclarea compresorului sau defecțiunile cauzate de o presiune scăzută în timpul pornirii.
În timpul comprimării agentului frigorific supraîncălzit care este aspirat, acesta este supus unei supraîncălziri suplimentare considerabile. În funcție de agentul frigorific, poate fi vorba de temperaturi mai mari de + 100°C la nivelul prizei de presiune a compresorului. Astfel, aceste temperaturi necesită, de asemenea, utilizarea unor uleiuri speciale în compresor, deoarece acestea nu trebuie să își piardă calitățile de lubrifiere nici chiar la temperaturi de evaporare mici.
2.4 Unitatea de expansiune
Unitatea de expansiune dintr-un sistem de refrigerare sau de aer condiționat are sarcina importantă de a injecta în evaporator cantitatea potrivită de agent frigorific lichid pentru a facilita evaporarea unei cantități cât mai mari de agent frigorific în conținutul conductei aferente. Evaporarea agentului frigorific presupune multă energie, care este preluată din elementele supuse răcirii. Următoarele modele sunt frecvent întâlnite:
• tubul capilar
• valva automată de expansiune
• valva termostatică de expansiune
• valva de expansiune cu acționare electrică
Tubul capilar reprezintă cel mai simplu dispozitiv de accelerare. Acest lucru este calculat cu precizie în prealabil de către fabricantul sistemului; de regulă, este verificat inclusiv debitul. Lungimea și diametrul interior pot varia, făcând posibilă atingerea nivelului de contrapresiune vizat. Aceasta este o soluție puțin costisitoare, dar funcționează în mod ideal numai în faza de proiectare. Drept urmare, acest tip de unitate de expansiune este des întâlnit, de pildă, în cazul frigiderelor.
Valva automată de expansiune (sau: valva de expansiune la presiune constantă) este mai rar utilizată, deoarece aceasta doar încearcă să mențină constantă presiunea de evaporare. Aceste valve nu trebuie utilizate decât în cazul sistemelor cu fluctuații reduse de sarcină.
Valva termostatică de expansiune încă reprezintă actualmente un element standard al sistemelor de refrigerare comerciale. Spre deosebire de valva de expansiune la presiune constantă, aceasta permite exclusiv menținerea la nivel constant a secțiunii de supraîncălzire din evaporator. Configurarea cu exactitate a valvei termostatice de expansiune este deosebit de importantă pentru a garanta un număr cât se poate de mic de defecțiuni la acest nivel.
Dacă sarcina fluctuează, secțiunea de supraîncălzire din evaporator se modifică și, astfel, se modifică și temperatura vaporilor supraîncălziți la nivelul gurii de ieșire a evaporatorului. Aceasta reprezintă variabila de verificare, iar valva variază în acest context cantitatea de agent frigorific injectat. Cu toate acestea, modificarea presiunii de intrare (presiune ridicată) înainte de valva termostatică de expansiune și modificarea temperaturii agentului frigorific lichid (subrăcire) pot duce la schimbarea semnificativă a puterii valvei. Acest lucru trebuie luat în considerare chiar din etapa de proiectare a sistemului!
Valva de expansiune cu acționare electrică (denumită adesea și valvă electronică de expansiune) este cel mai important element de control dintre unitățile de expansiune menționate. Obiectivul este, în primul rând, o ajustare mult mai precisă a ratei de supraîncălzire la nivel de evaporator și, în al doilea rând, ajustarea optimă a acesteia chiar și în condiții de fluctuații ale sarcinii, utilizând surse auxiliare de energie (acționare electrică).
În principiu, se face o distincție clară între două moduri de acționare: modulația în durată a impulsurilor și rularea continuă cu un motor pas cu pas. Modulația în durată a impulsurilor antrenează acționarea prin impulsuri a tipului de ventil electromagnetic. Durata impulsului este, în general, de 6 secunde. Regulatorul de injecție de nivel superior determină durata de timp pe care valva va rămâne deschisă în cadrul procesului, folosind informațiile pe care le primește de la o serie de sonde de pe evaporator și din jurul acestuia.
Datorită fluxului de masă intermitent, aceste valve sunt mai potrivite pentru așa numitele sisteme cu circuite multiple (mai multe puncte de refrigerare pe un singur circuit de agenți de refrigerare). În acest sens, dimensionarea țevilor pentru lichid este importantă în ceea ce privește prevenirea cazurilor de suprapresiune. Valvele de expansiune cu acționare electrică acționate și controlate cu ajutorul unui motor pas cu pas reprezintă adesea cea mai bună alegere în cazul sistemelor de refrigerare solicitante. Acestea injectează fără întrerupere lichidul frigorific în evaporator. Deoarece controlerul electronic asociat verifică în mod constant nivelul de umplere optim din evaporator, reajustându-l când este cazul, aceste valve reprezintă cea mai bună alegere, în condiții variabile de sarcină.
3. Alte componente importante ale circuitului de agenți de refrigerare
Pe lângă furnizarea unei cantități suficiente de agent frigorific lichid în unitatea de expansiune, receptorul de agent de refrigerare mai are și sarcina de a separa de lichid orice bule de vapori apărute în conducta pentru produsul de condensare. La alegerea designului, receptorul vertical este de preferat în locul celui orizontal. Receptoarele verticale au coloane de lichid mai înalte și, deci, o posibilitate mai bună de monitorizare a nivelului de umplere și aduc un câștig în ceea ce privește subrăcirea.
Uscătorul de agenți de refrigerare – încorporat în țeava de lichide – are rolul de a fixa umiditatea reziduală din sistem. În combinație cu agentul de refrigerare, cu uleiul și căldura, umiditatea reziduală potențială poate genera un acid care atacă, printre altele, sârma de cupru emailat a compresorului. Mai mult, există posibilitatea de a minimiza conținutul de acid din circuit cu ajutorul unor aditivi adecvați. Un filtru suplimentar împiedică particulele străine, cum ar fi așchiile sau depunerile, să ajungă la ventilul electromagnetic sau la valva de expansiune. În eventualitatea în care se derulează orice procedură la nivelul circuitului de agenți de refrigerare, uscătorul de filtre trebuie înlocuit.
Indicatorul de nivel al apei (cu sticlă transparentă) permite vizualizarea fluxului de agent frigorific. Dacă acest indicator de nivel este încorporat chiar înaintea valvei de expansiune, se poate observa cu ușurință preevaporarea cauzată de fluctuațiile considerabile de presiune din țeava de lichid și subrăcirea insuficientă, respectiv lipsa agentului frigorific.
