C4_v2 ifc

Cursul 4

2. Agenţi frigorifici

Agenţii frigorifici sunt compuşi chimici utilizaţi în instalaţiile frigorifice ca suport pentru transportul forţat al căldurii de la sursa rece la sursa caldă şi respectiv, pentru scăderea artificială a temperaturii, printr-o succesiune de procese termodinamice. Aceşti compuşi chimici pot fi substanţe omogene sau amestecuri de substanţe omogene, ale căror proprietăţi termofizice trebuie să corespundă cerinţelor din instalaţiile frigorifice. Astfel în instalaţiile frigorifice deosebim două tipuri de agenţi frigorifici:

Agenţi frigorifici propriu-zişi, agenţii care, parcurgând un ciclu termodinamic inversat, produc frigul în mod direct prin procese de vaporizare (IFV, IFAb şi IFAd) sau/şi de destindere (IFV şi IFG);

Agenţi frigorifici intermediari, agenţii „purtători de frig”, care prin recircularea lor, asigură transportul căldurii de la consumatorii de frig la agenţii frigorifici propriu-zişi.

2.1. Clasificarea agenţilor frigorifici

Clasificarea agenţilor frigorifici propriu-zişi se poate face în funcţie de modul de obţinere, de gradul de puritate, participarea la obţinerea efectului frigorific, starea de agregare și clasa de siguranță.

A) Modul de obţinere

A.1. Derivaţi halogenaţi – substanţe chimice obţinute în laborator prin înlocuirea totală sau parţială a atomilor de hidrogen H din molecula unor hidrocarburi, spre exemplu metan (CH4), etan (C2H6), butan (C3H8), propan (C4H10), cu atomi din grupa a VII a halogenilor (clor Cl, fluor F sau brom Br). Aceşti agenţi frigorifici se numesc freoni. Astfel formula chimică generală a unui freon se poate scrie sub forma: CmHxFyClzBru, cu condiția: x+y+z+u=2m+2, valabilă doar pentru hidrocarburi saturate (CmH2m+2). În practică există există mai multe grupe de derivaţi halogenaţi, dintre care cele mai uzuale până în acest moment sunt:: A.1.1. Cloro – Fluoro – Carboni (CFC), în molecula cărora atomii de hidrogen sunt total substituiţi prin atomi de Cl, F sau Br. Datorită prezenţei atomilor de Cl sau Br în moleculă, aceşti agenţi sunt consideraţi neecologici deoarece determină degradarea stratului de ozon O3 (exemplu R11, R12, R13); A.1.2. Hidro – Cloro – Fluoro – Carboni (HCFC), în molecula cărora atomii de hidrogen sunt parţial substituiţi prin atomi Cl, F sau Br. Datorită prezenţei atomilor de Cl sau Br în moleculă, aceşti agenţi sunt consideraţi la rândul lor neecologici deoarece determină degradarea stratului de ozon. Spre deosebire de acţiunea pe care o au agenţii din prima grupă, nocivitatea acestora este mult mai mică datorită prezenţei într-o mai mică măsură a atomilor de Cl şi Br în molecule (exemplu R22 şi R124);

2

A.1.3. Hidro – Fluoro – Carboni (HFC), în molecula cărora atomii de hidrogen sunt parţial substituiţi prin atomi de F. Aceşti agenţi sunt consideraţi ecologici deoarece nu au un efect distructiv asupra stratului de ozon (exemplu R134a şi R125), dar accentuează efectul de seră.

A.2. Naturali – substanţe chimice care se găsesc în natură (exemplu amoniac NH3, bioxid de carbon CO2, apă H2O, bioxid de sulf SO2). Prin folosirea lor nu este afectat nici stratul de ozon şi nici nu este amplificat efectul de seră.

Gradul de puritate

B.1. Agenţi puri – substanţe chimice stabile formate dintr-un singur component care îşi schimbă starea de agregare la temperatură şi presiune constantă (exemplu R11, R12, R13,

R22, 3NH ).

B.2. Amestecuri – substanţe chimice formate din doi sau mai mulţi componenţi şi care la rândul lor pot fi: B.2.1. Amestecuri azeotrope, care se realizează între compuşi cu proprietăţi termofizice apropiate (exemplu R502: 48,8% R22 şi 51,2% R115). Ei se comportă ca şi agenţii puri: schimbarea de fază se realizează la presiune şi temperatură constantă (Fig. 1.1 în care pot fi identificate cinci zone specifice l – lichid subrăcit; x=0 – lichid saturat; v.s.u. – vapori saturaţi umezi; x=1 – vapori saturaţi uscaţi; v.s.î. – vapori supraîncălziţi).

Fig. 1.1 Diagrama p-h pentru agenţii frigorifici puri

sau amestecuri azeotrope

Fig. 1.2 Diagrama p-h pentru amestecuri

neazeotrope

B.2.2. Amestecuri neazeotrope, care se realizează între compuşi, cu proprietăţi termofizice diferite. Datorită temperaturilor diferite la care componenţii îşi schimbă starea de agregare, pentru aceste tipuri de amestecuri, schimbarea de fază nu se face la temperatură constantă (fig. 1.2). Astfel, în cazul lui R404A amestec format din trei componenţi caracterizaţi prin temperaturi de vaporizare diferite la presiune normală 4% R134a (–26°C), 52% R143a (–48°C), 44% R125 (–48°C), temperaturile de început de vaporizare şi de sfârşit de vaporizare, la presiune normală, sunt de –46,6°C şi, respectiv, de –45,8°C. Datorită diferenţei mici de temperatură între sfârşitul şi începutul fierberii 0,8°C, în practică acest freon se consideră că are un comportament azeotrop. Spre deosebire de R404, R407 este un amestec format din trei componenţi caracterizaţi prin temperaturi diferite de vaporizare la presiune normală: 20% R32 (–51,7°C), 40% R125 (–48°C), 40% R134a (–26°C). În cazul acestui agent temperaturile de început de vaporizare şi de sfârşit de vaporizare, la presiune normală sunt aproximativ –46°C respectiv –

3

39°C. În acest caz diferenţa de temperatură de 7°C între începutul şi sfârşitul vaporizării este semnificativă.

Participarea la obţinerea efectului frigorific

C.1. Agenţi frigorifici propriu-zişi, implicaţi direct în producerea „frigului” prin laminarea şi vaporizarea lor; C.2. Agenţi frigorifici intermediari sau purtători de frig, implicaţi doar în transportul şi distribuţia „frigului”.

Starea de agregare

Astfel, în funcţie de starea de agregare în care se află agentul frigorific şi, respectiv, mediul răcit, în timpul proceselor termodinamice de obţinere a frigului, putem avea următoarele cazuri:

• lichid – vapori; • gaz – gaz; • solid – gaz; • solid – lichid; • lichid – lichid.

Clasa de siguranță

Conform standardizării ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) agenții frigorifici se clasifică în funcție de gradul de inflamabilitate și toxicitate astfel:

• Clasele de toxicitate [x]: A – agenți care nu sunt toxici la concentrații mai mici sau egale cu 400 ppm; B – agenți toxici care sunt toxici la concentrații mai mici sau egale cu 400 ppm. • Clasele de inflamabilitate [x]: 1 – agenți care nu sunt inflamabili: flacăra nu se propagă la testul în aer în condiții de

21 °C și 101 kPa; 2 – agenți ușor inflamabili: care au limita de inflamabilitate mai mare decât 0.1 kg/m3

la testul în aer în condiții de 21 °C și 101 kPa și o putere calorifică mai mică decât 19 kJ/kg; 3 – agenți inflamabili care au limita de inflamabilitate mai mică sau egală cu 0.1

kg/m3 la testul în aer în condiții de 21 °C și 101 kPa și o putere calorifică mai mare sau egală cu 19 kJ/kg.

2.2. Simbolizarea agenţilor frigorifici

În simbolizarea agenţilor frigorifici este utilizată litera R, de exemplu: R12, R 134a, R404A, R744. Uneori se utilizează ca prefix litera C simbolizând carbonul urmată de B, C sau F sau de o combinație a acestora în această ordine, pentru a indica prezența bromului, clorului sau a fluorului în compoziție, iar substanțele care conțin hidrogen trebuie să fie precedate de litera H, de exemplu: CFC12, HCFC22, HFC134a. Pentru simbolizarea eterilor se înlocuiește un C cu un E iar pentru susbstanțele care conțin o legătura dublă C=C (alchenă sau olefină) se înlocuiește un C cu un O, tabelul 1.1.

4

Tabelul 1.1

Simbol Denumire Molecula formată din

atomi de:

CFC Cloro-fluoro-carboni Cl, F, C CFO* Cloro-fluoro-olefină

BFC Bromo-fluoro-carboni Br, F, C HCFC Hidro-cloro-fluoro-carboni H, Cl, F, C

HCFO* Hidro-cloro-fluoro-olefină HBFC Hidro-bromo-fluoro-carboni H, Br, F, C

HFC Hidro-fluoro-carboni H, F, C

HFO* Hidro-fluoro-olefină

HCC Hidro-cloro-carboni H, Cl, C HCO* Hidro-cloro-olefină

CFE** Cloro-fluoro-eteri Cl, F, C HCFE** Hidro-cloro-fluoro-eteri H, Cl, F, C HFE** Hidro-fluoro-eteri H, F, C

* O alchenă, olefin sau olefină este un compus chimic nesaturat, instabil în atmosferă, care conține cel puțin o legătura dublă carbon-carbon (C=C) având formula moleculară generală CmH2m.

** Un eter este un compus organic care conține un atom de oxigen legat de două grupe de radicali achili (R-O-R’). Literele din prefix sunt urmate de o combinaţie formată din trei numere, astfel

( )( )R m 1 x 1 y− + . în cazul agenţilor frigorifici puri de natură organică, cifrele care urmează

după simbolul R sau după combinația de litere care simbolizează elementele componente au următoarea semnificaţie:

(m-1) – numărul atomilor de carbon – 1 din moleculă; (x+1) – numărul atomilor de hidrogen + 1 din moleculă; y – numărul atomilor de fluor din moleculă; u – numărul atomilor de brom care este mereu precizat prin cifra scrisă după

litera B; z=(2m+2)-y-x-u: numărul atomilor de clor, valabil doar pentru freoni obținuți pe baza

moleculei unor hidrocarburi saturate (CmH2m+2).

Exemple:

a) Diclor-difluor-metan, cu formula chimică:CCl2F2; identificând cu formula chimică generală a unui freon pur (CmHxFyClzBru) rezultă:

m=1 atomi de carbon → m-1=0 (fiind cifra sutelor, nu se notează); x=0 atomi de H → x+1=1;

y=2 atomi de F; u=0 atomi de Br; z=(2·1+2)-2-0-0 → z=2 atomi de Cl.

şi astfel, conform metodei de notare, acest agent are simbolul R12. b) Trifluor-metan, cu formula chimică 3CHF ; rezultă:

5

m=1 atomi de C → m-1=0 (fiind cifra sutelor, nu se notează); x=1 atomi de H → x+1=2;

y=3 atomi de F; u=0 atomi de Br; z=(2·1+2)-3-1-0→z=0 atomi de Cl.

iar simbolul acestui agent este R23. c) Brom-trifluor-metan, a cărui formulă chimică este 3CBrF :

m=1 atomi de C → m-1=0 (fiind cifra sutelor, nu se notează); x=0 atomi de H → x+1=1;

y=3 atomi de F; u=1 atomi de Br; z=(2·1+2)-3-0-1→ z=0 atomi de Cl.

deci, simbolul acestui agent este R13B1.

Pentru simbolizarea agenţilor frigorifici care conțin o legătură dublă C=C (CFO, HCFO, HFO, HCO) apare înaintea celor 3 numere de după litera R și cifra 1, de exemplu R-1234yf (2,3,3,3-Tetrafluor-propilenă, CH2=CFCF3).

În cazul izomerilor din clasa etan, fiecare izomer are același număr cu cel mai simetric dintre ei dar pe măsură ce izomerii sunt din ce în ce mai asimetrici sunt diferențiați prin litere mici succesive (a, b, c, etc.) adăugate ca sufix la simbol, de exemplu: R134, R134a.

În cazul izomerilor din clasa propan, toți izomerii au același număr dar sunt urmați de câte 2 indici diferiți sub formă de litere mici, prima literă simbolizează substituția atomului de hidrogen de lângă atomul central de carbon, astfel:

• x – daca atomul de hidrogen este substituit de un atom de clor;

• y – daca atomul de hidrogen este substituit cu un atom de fluor;

• z – daca rămâne un atom de hidrogen. Cea de-a doua literă simbolizează subsituția atomilor de hidrogen de lângă atomul

terminal de carbon, astfel:

• a – daca atomii de hidrogen sunt substituiți de doi atomi de clor (=CCl2);

• b – daca atomii de hidrogen sunt substituiți de un atom de clor și unul de fluor

(=CClF);

• c – daca atomii de hidrogen sunt substituiți de doi atomi de fluor (=CF2);

• d – daca doar un atom de hidrogen este substituit de un atom de clor (=CHCl);

• e – daca doar un atom de hidrogen este substituit de un atom de fluor (=CHF);

• f – daca atomii de hidrogen nu sunt substituiți (=CH2), spre exemplu: R1234yf,

R1243zf. În cazul în care pot exista stereoizomeri (izomeri la care diferă modul de aranjare a

atomilor în spațiu) după cele două litere mici se mai adaugă un sufix, (E) dacă atomii de același fel din legătura dublă sunt așezați pe părți diferite sau (Z) dacă sunt așezați pe aceeași parte, de exemplu: R1234ze(E), R1234ze(Z) [xx].

Exemple:

a) Propilenă, cu formula chimică: CH3CH=CH2 (C3H6); identificând cu formula chimică generală a unui freon pur (CmHxFyClzBru) rezultă:

m=3 atomi de carbon; →m-1=2 (fiind cifra sutelor, nu se notează);

6

x=6 atomi de H ; →x+1=7; y=0 atomi de F; prezintă o legătură dublă C=C; →R1

astfel, conform metodei de notare, acest agent are simbolul R1270. b) Tetrafluor-propilenă, cu formula chimică: CF3CF=CH2 (C3F4H2); identificând cu

formula chimică generală a unui freon pur (CmHxFyClzBru) rezultă: m=3 atomi de carbon; →m-1=2 (fiind cifra sutelor, nu se notează); x=2 atomi de H ; →x+1=3; y=4 atomi de F; prezintă o legătură dublă C=C; →R1 substituția atomului de hidrogen de la atomul central de carbon se face cu fluor

CCF3CF=CH2; →y atomii de hidrogende lângă atomul terminal de carbon nu sunt substituiți

CCF3CF=CH2; →f astfel, conform metodei de notare, acest agent are simbolul R1234yf.

c) Tetrafluor-propilenă, cu formula chimică: CF3-CH=CHF (C3F4H2); identificând cu formula chimică generală a unui freon pur (CmHxFyClzBru) rezultă:

m=3 atomi de carbon; →m-1=2 (fiind cifra sutelor, nu se notează); x=2 atomi de H ; →x+1=3; y=4 atomi de F; prezintă o legătură dublă C=C; →R1 atomul de hidrogen de la atomul central de carbon se este substituit CF3-CH=CHF;

→z doar un atom de hidrogen de lângă atomul terminal de carbon este substituit CF3-

CH=CHF; →e atomii de hidrogen din legătura dublă sunt așezați pe părți diferite ;

→(Z)

astfel, conform metodei de notare de mai sus, acest agent are simbolul R1234ze(Z).

În cazul agenţilor frigorifici obţinuţi prin amestecarea mai multor agenţi puri, în simbolizarea lor, pentru cifra sutelor se foloseşte fie cifra 5 pentru amestecurile azeotrope (R507), fie cifra 4 pentru cele neazeotrope (R404A). Cifra zecilor şi unităţilor va indica componența amestecului dar nu și proporțiile. Pentru a diferenția mai multe amestecuri care au aceleiași substanțe componente dar în diverse concentrații se mai adaugă ca sufix o literă scrisă cu majusculă (A, B, C, etc.) în funcție de ordinea în care acești agenți frigorifici au fost aprobați de ASHRAE (de exemplu: R407A, R407B, R407C, R407D, R407E, R407F).

Alte substanțe organice se vor simboliza utilizând 6 la cifra sutelor, spre exemplu: R600 – butan, R600a – izobutan[xx].

Pentru simbolizarea agenţilor frigorifici de origine anorganică cifra sutelor este 7, iar cifra zecilor şi unităţilor reprezintă masa molară a substanței, spre exemplu amoniacul a cărui

7

formulă chimică este NH3 are simbolul R717, iar dioxidul de carbon (CO2) este simbolizat cu R744.

2.3 Condiții de mediu

2.3.1. Generalități

2.3.1.1. Coeficientul de subțiere a stratului de ozon (ODP)

Stratul de ozon are rolul de a proteja suprafața Pământului de o mare parte a radiațiilor

ultraviolete emise de soare.

Cloro-fluoro-carbonii și bromo-fluoro-carbonii sunt substanțe extrem de stabile chimic, de

aceea nu se descompun în partea inferioară a atmosferei (troposferă) ci ajung în stratosferă

unde se formează și stratul de ozon (O3). În statosferă radiațiile ultraviolete descompun

molecula CFC sau BFC și astfel sunt eliberații atomii de clor și brom care distrug moleculele

de ozon[xxxxxxx].

Hidro-cloro-fluoro-carbonii sunt mai puțin nocivi decât cloro-fluoro-carbonii deoarece au

în moleculă hidrogen, dina acest motiv o parte din cantitatea de HCFC eliberată în atmosferă

reacționează cu radicalii liberi OH din troposferă și apoi se decompun rezultând o cantitate

mai mică de HCFC care ajunge în stratosferă[xxxxxxxxx].

Coeficientul de subțiere a stratului de ozon (ODP) se definește prin cantitatea de ozon

distrusă de eliberarea în atmosferă a unui gaz , pe întreaga durată de viață

atmosferică a acelui gaz, raportată la cantitatea de ozon distrusă de eliberarea unei cantități

egale de freon R11 [xxxxxxxx]:

2.3.1.2. Efectul de seră și gazele cu efect de seră

Pe termen lung cantitatea de radiație solară absorbită de suprafața Pământului și de

atmosferă este aceeași cu cantitatea de radiații cu lungime mare de undă (radiație termică în

spectrul infraroșu) reemisă de suprafața Pământului și de atmosferă. Aproximativ jumătate

din radiația solară primită este absorbită de suprafața Pământului, energia acesteia este

transmisă apoi către atmosferă prin convecție (încălzind aerul ce intrăîn contact cu solul),

prin evaporarea apei și prin radiația cu lungime mare de undă care este abosrbită de nori și

8

de gazele cu efect de seră. La rândul ei atmosfera reemite către suprafața Pământului dar și

către spațiul cosmic radiații cu lungime mare de undă.

Bilanțul de energie anual estimat. Sursa: Kiehl și Trenberth (1997)[xxxx].

Efectul de seră se creează datorită proprietății unor gaze din atmosferă să absoarbă

și reemită radiația termică în spectrul infraroșu emisă de suprafața Pământului. Gazele cu

efect de seră sunt gazele prezente în atmosferă, atât natural cât și datorită activităților

umane. Principalele gaze cu efect de seră din atmosfera Pământului sunt vaporii de apă și

dioxidul de carbon (CO2), oxidul de azot (N2O), metanul (CH4) și ozonul (O3). În atmosferă

există și gaze cu efect de seră produse în totalitate de oameni precum hidrocarburile

halogenate și alte substanțe care conțin clor și brom. Conform Protocolului de la Montreal a

fost interzisă utilizarea substanțelor care conțin clor și brom. Protocolul de la Kyoto se ocupă

pe lângă CO2, N2O și CH4 și de alte gaze cu efect de seră: hexafluorură de sulf (SF6), hidro-

fluoro-carboni (HFC) și perfluoror-carboni (PFC)[xxxxx].

O creștere a concentrației gazelor cu efect de seră în atmosferă conduce la o creștere

a opacității atmosferice la radiația din spectrul infraroșu care în loc să fie emisă către spațiu

se întoarce către Pământ. Cu cât pătura de gaze cu efect de seră este mai densă cu atât

scade cantitatea de radiație termică în spectrul infraroșu emisă în spațiu și crește cantitatea

de radiație care se întoarce spre suprafața Pământului și astfel crește temperatura la

suprafața solului. Fără gazele cu efect de seră temperatura medie a suprafeței Pamântului ar

fi de -19°C, în echilibru cu radiația provenită de la Soare, datorită acestor gaze suprafața

Pământului are o temperatură medie de +14°C, aceste gaze au rolul unei „pături” care

păstrează o parte din căldura primită de la Soare. Așadar efectul de seră este benefic dar

creșterea emisiilor de CO2, cauzată de industrializarea masivă și de alte procese care implică

arderea diverșilor combustibili, conduce la creșterea cantității de radiație absorbită de

9

gazele cu efect de seră și apoi reemisă către suprafața Pământului astfel crescând

temperatura medie atmosferică.

În același timp pe măsură ce temperatura medie atmosferică crește suprafețele albe de

pe Pământ (zăpadă, gheață) care reflectă parte din radiația solară scad ca întindere

conducând la creșterea cantității de radiație solară absorbită de suprafața terestră și la

creșterea temperaturii medie a suprafeței Pamântului, acest efect ca și efectul de seră fiind

de tip „bulgăre de zăpadă” se autoamplifică.

2.3.1.3. Potențialul de încălzire globală (GWP)

Potențialul de încălzire globală (GWP) se referă la capacitatea diverselor gaze de a

contribui la efectul de seră într-un anumit orizont de timp. Formula de calcul pentru GWP a

fost stabilită de grupul de lucru al Comitetului inter-guvernamental pentru schimbări

climatice (IPCC). Potențialul de încălzire globală a fost definit ca raportul între integrala pe

timp a forței radiative dată de eliberarea instantanee în atmosferă a 1 kg de substanță

analizată și integrala pe timp a forței radiative dată de eliberarea instantanee în atmosferă a

1 kg de substanță de referință (CO2)[xxxxxx].

Unde:

TH – perioada de timp pentru care se evaluează GWP;

ax – eficiența radiativă (eficiența de a absorbi radiațiile termale din spectrul infraroșu)

datorată creșterii în atmosferă cu 1 unitate a cantității substanței analizate;

x(t) – scăderea cantității de substanță analizată din atmosferă, în funcție de timp, de la

eliberarea substanței în atmosferă;

ar – eficiența radiativă datorată creșterii în atmosferă cu 1 unitate a cantității

substanței de referință (CO2);

r(t) – scăderea cantității de substanță de referință (CO2) din atmosferă, în funcție de timp, de

la eliberarea instantanee a acesteia în atmosferă.

Protocolul de la Kyoto și legislația Europeană în domeniu se bazează pe valorile GWP

evaluate pentru un orizont de timp de 100 de ani (GWP100).

10

2.3.1.4. Impactul total echivalent asupra încălzirii globale (TEWI)

Instalațiile frigorifice au o contribuție majoră asupra amplificării efectului de seră, atât

prin faptul că toți agenții frigorifici halogenați sunt gaze cu efect de seră deci trebuie limitată

scăparea acestora în atmosferă dar și datorită emisiilor indirecte de CO2 cauzate de

producerea energiei electrice consumate de sistemele frigorifice. Așadar pe lângă utilizarea

unui agent frigorific cu GWP redus trebuie ca instalațiile frigorifice să fie proiectate și

utilizate astfel încât coeficientul de performanță (COP) să fie cât mai mare adică să prezinte

eficiență energetică ridicată.

Pentru a evalua influența unei instalații frigorifice asupra efectului de seră s-a introdus un

factor denumit impactul total echivalent asupra încălzirii globale (TEWI) cu formula de mai

jos[xxx]:

Unde:

L – rata anuală a scăpărilor de agent frigorific [kg];

n – timpul de funcționare a instalației (durata de viață) [an];

m – cantitatea de agent frigorific încărcată în instalație [kg];

– factor de recuperare și reciclare a agentului frigorific,

reprezintă procentul de pierdere a agentului frigorific în timpul recuperării sau reciclării);

– consumul de energie anual [kWh];

– emisiile de CO2 pentru producerea unui kWh de energie electrică.

Formula de calacul pentru TEWI are în vedere trei aspecte: pierderile de agent din

instalație, agentul care se recuperează când sunt pierderi și consumul de energie al

instalației. Factorul TEWI ține cont de influența directă a unei instalații frigorifice asupra

efectului de seră prin agentul frigorific utilizat dar și de influența indirectă datorată energiei

electrice consumate în funcționare. În cazul în care pentru producerea energiei electrice

consumate de instalația frigorifică nu au loc procese cu emisii de CO2, așa cum se întâmplă în

cazul utilizării energiei solare, eoliene, geotermale, etc., valoare TEWI este mai mică deci și

impactul asupra mediului prin amplificarea efectului de seră este mai mic.

11

[x]International Institute of Refrigeration IIR, Classification of refrigerants.

<http://www.iifiir.org/userfiles/file/webfiles/summaries/Refrigerant_classification_EN.pdf>,

2014.07.23.

[xx]AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIR-CONDITIONING

ENGINEERS, INC., BSR/ASHRAE Addendum z to ANSI/ASHRAE Standard 34-2007, septembrie

2008.

[xxx]Bitzer Kuhlmaschinenbau GmbH, Refrigerant Report 17, 09.2012.

[xxxx]Le Treut, H., R. Somerville, U. Cubasch, Y. Ding, C. Mauritzen, A. Mokssit, T. Peterson and M.

Prather, 2007: Historical Overview of Climate Change. In: Climate Change 2007: The Physical Science

Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental

Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M.

Tignor and H.L. Miller (Eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New

York, NY, USA.

[xxxxx]IPCC, 2007: Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II

and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core

Writing Team, Pachauri, R.K. and Reisinger, A. (eds.)], IPCC, Geneva, Switzerland, 104pp.

[xxxxxx]V. Ramaswamy, O. Boucher, J. Haigh, D. Hauglustaine, J. Haywood, G. Myhre, T. Nakajima,

G.Y. Shi, S. Solomon, 2001: Radiative Forcing of Climate Change. In: Climate Change 2001: The

Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the

Intergovernmental Panel on Climate Change [Houghton, J.T.,Y. Ding, D.J. Griggs, M. Noguer, P.J. van

der Linden, X. Dai, K. Maskell, and C.A. Johnson (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge,

United Kingdom and New York, NY, USA, 881pp.

[xxxxxxx]Pool, R. The elusive replacements for CFCs. Science 242 (1989) 666-68. <http://www.ciesin.org/docs/011-490/011-490.html>, 2014.08.19.

[xxxxxxxx]Pyle, J. A., S. Solomon, D. Wuebbles, and S. Zvenigorodsky. 1992. Chapter 6: Ozone

depletion and chlorine loading potentials, Scientific assessment of ozone depletion: 1991, World

Meteorological Organization Global Ozone Research and Monitoring Project-Report nr. 25, Geneva:

World Meteorological Organization. <http://www.ciesin.org/docs/011-551/011-551.html>, 2014.08.22.

[xxxxxxxxx]The Center for International Earth Science Information Network (CIESIN), Earth

Institute at Columbia University, Ozone-Depletion and Chlorine-Loading Potential of Chlorofluorocarbon

Alternatives. <http://www.ciesin.org/TG/OZ/odp.html>, 2014.08.22.

1.2.3.2 Legislatie – restricții de utilizare Conform Convenţiei de la Viena, din 1985, Protocolului de la Montreal, din

septembrie 1987 şi amendamentelor de la Londra, din 1990 şi respectiv Copenhaga, din 1991, în prezent nu se mai folosesc agenţii frigorifici de tip CFC (de ex. R11, R12, R113, R114,

12

R500, R115,R502) care au ODP mai mare de 0,1 (figura 1.3). Recent a fost interzisă utilizarea şi agenţiilor de tip HCFC care sunt caracterizaţi de potenţiale mai mari de 0,05 cum ar fi R22, R142, R141. România, prin Hotărârea de Guvern din 17 decembrie 1992 ratificată de Parlament în aprilie 1993, a aderat la toate aceste hotărâri internaţionale.

Fig. 1.3. Clasificarea agenţilor frigorifici în funcţie de coeficientul de subțiere a stratului de ozon

(ODP) şi de potenţialul de încălzire globală (GWP) Conform reglementărilor Protocolului de la Kyoto precum și prevederilor legislației

europene (Legea Nr. 517/2014 aprobată de Parlamentul și de Consiliul European pe 16.04.2014 ce va intra în vigoare din ianuarie 2015) utilizarea freonilor cu GWP mai mare de 2500 va fi restricționată începând cu anul 2020.

Utilizarea freonilor cu GWP mai mare de 150 în instalațiilor frigorifice centralizate mai mari de 40 kW va fi restricționată începând din 2022 pentru aplicațiile comerciale. Excepție fac instalațiile în cascadă pentru care în cascada superioară se pot folosi agenți frigorifici cu GWP mai mic de 1500.

Întrebuințarea agenților frigorifici cu GWP mai mare de 150 în dulapurile frigorifice pentru uz casnic este interzisă de la 1 ianuarie 2015 iar pentru sistemele de climatizare tip „split” care conțin mai puțin de 3 kg de freon se interzice utilizare freonilor cu GWP mai mare sau egal cu 750 începând cu anul 2025.

În același timp se introduc o serie de măsuri de control a cantității de freon comercializată, produsă sau importată de țările membre ale Uniunii Europene, măsuri pentru verificarea cantității de freon utilizată de consumatorii finali, precum și obligația persoanelor care montează, repară sau intervin în orice fel asupra instalațiilor frigorifice ce utilizează freon ca agent frigorific de avea certificate care să ateste o instruire în privința noilor reglementări.

2.4.Criterii de alegere a agenţilor frigorifici

În tabelul 1.1 sunt prezentate în ordine cronologică substanţele pure naturale şi artificiale care au fost folosite ca agenţi frigorifici.

13

Tabelul 1.2

Cronologia agenţilor frigorifici

Nr.

crt.

Denumire agent Anul descoperirii

1. Apa 2. Clorura de etil 1717 3. Eter sulfuric 1834 Perkins; 1856 Harrison 4. Eter metilic 1864 Ch. Tellier 5. Anhidra sulfuroasă 1874 Pictet 6. Amoniac 1876 Linde 7. Clorura de metil 1878 Vincent, Douane 8. Anhidra carbonică 1881 Linde 9. Fluoro – şi cloro - derivaţi 1907 semnalaţi de Swartz

10. Diclordifluormetan (R12) 1930 Midgley, Henne şi Thomson

Prin folosirea lor îndelungată, până în prezent, la o parte dintre aceşti agenţi frigorifici

s-a renunţat, ei dovedindu-se a fi neecologici prin valorile mari ale potenţialului de distrugere a stratului de ozon (Ozone Depletion Potential – ODP) şi/sau ale potenţialului de încălzire a atmosferei – efectul de seră (Global Warming Potential – GWP). În practică, alegerea unui agent frigorific este condiţionată de proprietăţile sale termofizice şi de tipul proceselor termodinamice, ce caracterizează funcţionarea sistemului frigorific în care el trebuie să lucreze. Având în vedere că majoritatea instalaţiilor frigorifice cu aplicaţie industrială, comercială şi casnică sunt cu comprimare mecanică de vapori (IFV), cele mai importante proprietăţi ale agenţilor frigorifici din aceste instalaţii sunt:

Dimensiunea gradului de scădere a temperaturii agentului frigorific în timpul laminării sale, având ca referință aceeaşi temperatură de intrare în ventilul de laminare şi aceeaşi valoare a căderii de presiune; proprietate precizată de coeficientul efectului diferenţial Joule – Thomson, a cărui expresie, după cum o vom demonstra ulterior, este:

h

pph

T T v v0

p c T Tα

∂ ∂ = = − >

∂ ∂

Pentru a avea un coeficient al efectului diferenţial cât mai mare, agentul trebuie să aibă căldura specifică masică la presiune constantă în stare lichidă cât mai mică;

Mărimea căldurii latente de vaporizare a agentului frigorific pentru o aceeaşi valoare a presiunii de vaporizare, care se poate calcula în funcţie de entalpia lichidului saturat

0( h )′ şi

cea a vaporilor saturaţi uscaţi 0( h )′′ , la aceeaşi presiune, cu relaţia:

0 0 0r h h′′ ′= − [kJ/kg]

Puterea frigorifică specifică masică sau volumică reprezentată de cantitatea de căldură pe care o poate prelua 1 kg sau 1 m3 de agent frigorific, de la sursa rece, care se răceşte prin destindere de la temperatura de condensare tc până la temperatura de vaporizare t0 şi care se calculează cu:

putere frigorifică specifică masică:

14

0 0 0q h h′′ ′= − [kJ/kg]

putere frigorifică specifică volumică:

v

00

0

qq

v=

′′ [kJ/m3]

Viscozitatea dinamică µ [Pa·s], sau cinematică ν [m2⁄s]; mărime care influenţează pierderile de presiune, transferul de căldură şi pierderile de agent prin neetanşeităţi;

Presiunea de condensare cp [bar]; mărime ce trebuie să aibă valori moderate pentru a

evita încărcarea compresorului și a tuturor elementelor care lucrează la această presiune precum şi pentru a evita pierderile de agent prin neetanşeităţi;

Temperatura de vaporizare t0 [°C]; mărime prin care se stabileşte domeniul de utilizare a agentului frigorific;

Presiunea de vaporizare 0p [bar]; mărime ce trebuie să aibă valori suficient de scăzute,

pentru a asigura temperatura de vaporizare dorită, dar pe cât posibil mai mari decât presiunea ambiantă, pentru a evita infiltraţiile aerului ambiant în instalaţie. Prezenţa aerului sau a unui gaz necondensabil în instalaţie are următoarele efecte negative:

creşte presiunea de condensare şi, implicit, raportul de comprimare; diminuează eficienţa procesului de vaporizare; oxidează uleiul de ungere şi accelerează procesul de coroziune a componentelor

instalaţiei datorită prezenţei în circuitul frigorific a apei şi a oxigenului; reduce secţiunea de curgere sau chiar obturează circuitului frigorific (în filtrul

deshidrator sau în ventilul de laminare) prin depunerea de gheaţă. Exponentul adiabatic k [–], mărime care condiţionează în mod direct temperatura

vaporilor calzi refulaţi de compresor şi valoarea lucrului mecanic necesar comprimării; Stabilitatea termică a moleculei de agent frigorific. Odată cu creşterea temperaturii,

există riscul ca molecula de agent frigorific să se descompună şi astfel agentul să-şi schimbe proprietăţile termofizice;

Miscibilitatea cu apa; miscibilitatea ridicată a agentului frigorific cu apa poate determina descompunerea prematură a uleiului sau chiar a moleculei de agent frigorific şi blocarea circuitului frigorific prin formarea dopului de gheaţă;

Miscibilitatea cu uleiul; influenţează negativ transferul de căldură din schimbătoarele de căldură ale instalaţiei şi ungerea compresorului;

Agenţii frigorifici nu trebuie să prezinte pericol de explozie; inflamabilitate şi toxicitate;

Agenţii termodinamici utilizaţi în instalaţiile frigorifice cu absorbţie (IFAb) sunt aleşi în funcţie de următoarele particularităţi:

Diferenţă mică între presiunea de condensare şi cea de vaporizare în vederea reducerii consumului de energie pentru pomparea soluţiei;

Căldura latentă de vaporizare cât mai mare pentru reducerea dimensiunilor schimbătorului de căldură, a conductelor de legătură şi a debitului de agent;

Căldura de dizolvare a agentului frigorific în absorbant, cât mai mică, pentru instalaţia frigorifică şi cât mai mare, pentru pompa de căldură, ceea ce permite reducerea suprafeţelor de schimb de căldură şi respectiv consumul de energie;

Căldură specifică mică a absorbantului pentru a asigura reducerea suprafeţelor de schimb de căldură;

15

Diferenţă mare între temperatura de vaporizare a agentului frigorific şi cea a absorbantului, ceea ce asigură reducerea gradului de antrenare a absorbantului şi micşorarea dimensiunilor aparatului de rectificare;

Viteză de absorbţie mare, ceea ce determină micşorarea dimensiunilor absorbitorului; Pentru instalaţiile cu adsorbţie (IFAd) agenţii frigorifici cei mai utilizaţi sunt apa,

alcoolul etilic, alcoolul metilic şi mai rar, din cauza problemelor puse de presiunile ridicate de lucru, amoniacul.

1.3. Agenţi frigorifici intermediari (purtători de frig)

Agenţii frigorifici intermediari sunt substanţe, de obicei în fază lichidă sau gazoasă, purtători de căldură, care prin recircularea lor asigură transportul în mod continuu a căldurii de la mediul răcit la agenţii frigorifici propriu-zişi. Folosirea lor este necesară în instalaţiile la care, pentru a înlătura unele efecte nocive, se elimină posibilitatea contactului agenţilor frigorifici propriu-zişi cu mediul răcit. În acest caz numit cu detentă indirectă, între mediul răcit şi vaporizatorul instalaţiei frigorifice, apare circuitul agentului frigorific intermediar, numit şi agent purtător de frig. Pentru buna funcţionare a instalaţiilor frigorifice cu detentă indirectă, agenţii purtători de frig trebuie să îndeplinească următoarele cerinţe:

- temperatură de congelare scăzută, pentru a evita blocarea circuitului secundar; - viscozitate mică, pentru a reduce consumul de energie necesară pompării agentului

frigorific intermediar; - căldură specifică mare, pentru a putea asigura reducerea debitului de agent

frigorific intermediar; - acţiune corozivă redusă în raport cu metalele feroase şi neferoase cu care agentul

frigorific intermediar intră în contact; - stabilitate chimică la variaţia temperaturii şi în timp; - să nu prezinte pericol de explozie, inflamabilitate şi toxicitate.

În calitate de agenţi frigorifici intermediari, pentru temperaturi de refrigerare apropiate de 0ºC, se pot folosi apa şi aerul. La nivelul frigului moderat (temperaturi între –25ºC şi –35ºC) se folosesc soluţiile hidrice ale unor săruri minerale, numite saramuri (exemplu: clorura de sodiu, clorura de calciu, clorură de magneziu) şi ale unor alcooli (exemplu: alcool etilic, mono şi dietilenglicol, propilenglicol, glicerină, poliglicoli). Datorită lipsei sale de toxicitate, cel mai indicat agent intermediar folosit în instalaţiile frigorifice din industria alimentară este propilenglicolul, dar, la temperaturi scăzute (–30ºC), viscozitatea sa devine foarte mare. Pentru a preveni acţiunea corozivă a agenţilor frigorifici intermediari se foloseşte neutralizarea şi, respectiv, pasivizarea acestora prin folosirea unor inhibitori de coroziune.

Temperatura de congelare a agenţilor intermediari depinde de concentraţia lor masică. Agenţii frigorifici intermediari, fiind soluţii hidrice, este evident că la concentraţie minimă (x=0) temperatura lor de congelare este 0ºC. Pentru soluţiile hidrice cu punct de eutectic, după cum este prezentat în figura 1.4, ca exemplu pentru soluţia salină de clorură de calciu, se observă că, într-o primă fază, pe măsură ce concentraţia lor creşte, temperatura de congelare scade, atingând un minim pentru concentraţia eutectică (xE=29,9% şi tcon= –55ºC), iar într-o a doua fază, pentru concentraţii mai mari pe măsură ce concentraţia lor creşte, temperatura de congelare va creşte.

16

Fig. 1.4. Influenţa concentraţiei asupra temperaturii de congelare a saramurii de clorură de calciu

În funcţionarea instalaţiilor frigorifice cu detentă indirectă pentru prevenirea îngheţării

agentului intermediar la o eventuală scădere accidentală a temperaturii de vaporizare T0, concentraţia soluţiei se alege pentru o temperatură de congelare mai mică cu (8 ÷ 10)ºC decât temperatura de congelare nominală.