-
INSTALATII FRIGORIFICE CURS 7 Ptr .data 07 aprilie 2020 7.
INSTALATII FRIGORIFICE CU ABSORBTIE
7.1 CARACTERIZARE GENERALĂ Generalități
Spre deosebire de instalaţiile cu comprimare mecanică de vapori,
comprimare de gaze şi cu ejecţie, instalaţiile cu absorbţie
utilizează pentru realizarea procesului de lucru un amestec binar
de substanţe (un agent frigorific şi o substanță absorbantă).
Caracteristic acestor substanţe este că au temperaturi de fierbere
diferite la aceeaşi presiune şi că dizolvarea lor se face
nelimitat. Față de instalațiile cu comprimare mecanică, comprimarea
în cadrul instalațiilor cu absorbție se realizează cu ajutorul
compresorului termochimic care este dat de ansamblul
generator-absorbitor. Pentru caracterizarea stării termodinamice a
amestecului sunt necesari trei parametrii de stare. Drept parametri
de stare s-au ales: presiunea p, temperatura t, şi un parametru
cantitativ care indică participaţia masică sau gravimetrică a unuia
din componenţi în amestec ξ, denumit concentraţie. Soluţiile binare
cele mai folosite în asemenea instalaţii sunt: soluţia
hidroamoniacală (apă-amoniac) și soluția de bromură de litiu-apă
(BrLi-H2O). În cazul soluției hidroamoniacale concentrația se
raportează la agentul frigorific (amoniac) iar în cazul soluției de
bromură de litiu-apă, la absorbant (BrLi). Principiul de
funcționare al instalațiilor frigorifice cu absorbție se bazează pe
fenomenul de absorbție al vaporilor de agent frigorific de către un
mediu absorbant aflat în stare lichidă. Diagrame specifice
utilizate în calculul instalațiilor frigorifice cu absorbție
Deoarece pentru caracterizarea termodinamică a amestecurilor
binare sunt necesari trei parametrii, au fost construite diagrame
ternare. Aceste diagrame spațiale sunt reproduse în plan, în axele
planului se
-
regăsesc doi parametrii, cel de-al treilea fiind perpendicular
pe plan. În continuare vom analiza diagramele i-ξ-p și p-T-ξ.
• Diagrama i-ξ-p Este diagrama de bază pentru reprezentarea
proceselor şi
calculul de proiectare al instalaţiilor frigorifice cu
absorbţie. Diagrama i-ξ-p conţine în axa absciselor concentraţia ξ,
iar în axa ordonatelor entalpia i şi este construită pe baza
determinărilor experimentale pentru fiecare tip de soluţie binară.
În continuarese va descrie diagrama i-ξ-p pentru soluţia
hidroamoniacală, introdusă de Ponchon (1921) şi independent de el
de Merkel în 1928. Diagrama cuprinde domeniile corespunzătoare
stărilor de agregare: vapori supraîncăziţi, vapori umezi, lichid şi
conţine următoarele familii de curbe (v.fig7.1.1):
- izoterme în domeniul lichidului 1; - izoterme în domeniul
vaporilor 2, care sunt niște drepte. Întrucât între vaporii uscaţi
de amoniac şi apă nu are loc un proces chimic, încât căldura de
amestec este neglijabilă, aceste drepte nu sunt reprezentate în
diagramă;
- izobare pentru lichid 3; - izobare pentru vapori 4; - curbe
ajutătoare 5, trasate pentru fiecare izobară, ce servesc pentru
determinarea stării de vapori în echilibru cu lichidul, respectiv
pentru reprezentarea izotermei în domeniul vaporilor umezi.
Fig.7.1.1 Diagrama i-ξ-p pentru soluţia hidroamoniacală
-
In aceasta diagrama se observa:
- entalpia lichidului pentru o valoarea constantă a temperaturii
se modifică foarte puţin în funcţie de presiune, încât rezultă o
singură reţea de izoterme, indiferent de valoarea presiunii; -
izotermele reprezentate în domeniul lichidului sunt valabile pentru
o presiune dată p, numai pe porţiunea de sub izobara respectivă; -
în domeniul vaporilor umezi, izotermele sunt linii drepte ce trec
prin cele doua stări de lichid şi de vapori în echilibru, nefiind
reprezentate în diagramă deoarece apar familii de izoterme pentru
fiecare izobară în parte. Aceste izoterme se trasează folosind
curbele ajutătoare.
• Diagrama p-T-ξ
Dacă în cazul substanţelor simple, presiunea de fierbere este
o
funcţie univocă de temperatură p = p(T), în cazul soluţiilor
binare, presiunea de fierbere depinde atât de temperatură, cât şi
de concentraţie p=p(T,ξ). La ξ = ct. dependenţa respectivă devine
iarăşi univocă p = f(T) ca şi la substanţele simple. S-au stabilit
multe asemenea relaţii prin cercetări experimentale, cea mai
folosită dintre ele cunoscută sub numele de relatia
Clausius-Clapeyron, având forma:
dTdpvvTr )'"( −=
în care: r este căldura latentă de vaporizare; T-temperatura
absolută; p-presiunea v", v' - volumul specific al vaporilor
saturaţi şi respectiv al lichidului în stare de fierbere la
presiune p sau temperatura T. Dacă se neglijează volumul specific
al lichidului v' faţă de celal vaporilor uscaţi v" şi se admite
pentru aceştia ecuaţia de stare a gazului ideal, se obţine:
dTdp
pRTT
dTdpTvr ⋅== "
sau
2TdT
Rr
pdp
⋅=
în care R este constanta de gaz perfect. Prin integrarea
ecuaţiei ,considerând r = ct., se obţine:
Tbap −=ln
în care a şi b = r/R sunt constante specifice substanţei. În
cazul unei substanţe simple, relaţia obtinuta reprezentată în
coordonate (lnp) şi (1/T) este o dreaptă, iar în cazul soluţiilor
binare se obţine un fascicul de drepte pentru diverse
concentraţii.
-
În figura 7.1.2. se prezintă diagrama p-T-ξ pentru soluţia
hidroamoniacală. Fasciculul de drepte din diagrama este uşor
convergent spre partea superioară, deoarece coeficientul unghiular
al dreptelor b=r/R depinde de concentraţie şi anume este cu atât
mai mare cu cât concentraţia este mai mică.
Fig 7.1.2. Diagrama p-T-ξ pentru soluţia hidroamoniacală Procese
specifice instalațiilor frigorifice cu absorbție
• Vaporizarea și condensarea soluțiilor binare Spre deosebire de
substanţele alcătuite dintr-un singur
component, caracterizate prin aceea că vaporizarea şi
condensarea izobară este și izotermă, în cazul soluţiilor binare în
timpul vaporizării sau condensării izobare temperatura sistemului
variază. Modificarea temperaturii se datorează schimbării
concentraţiei soluţiei. În amestecul de vapori formaţi concentraţia
componentului cu punctul de fierbere mai scăzut este mai mare decât
în amestecul lichid.
Vaporizarea şi condensarea soluţiei hidroamoniacale se
analizează cu ajutorul diagramei t-ξ-p
(temperatură-concentraţie-presiune). În diagrama din figura 7.1.3.
sunt reprezentate, în coordonate t-ξ-p, curba de vaporizare (V) şi
curba de condensare (C), care se întâlnesc în punctele ξ=0 şi ξ=1.
Reprezentarea este făcută pentru o presiune p a amestecului,
păstrată constantă.
Se consideră soluţia lichidă de stare 1, determinată de
concentraţia ξ1, temperatura t1 şi presiunea p. Se păstrează
constantă şi concentraţia ξ1 şi se încălzeşte soluţia. În punctul 2
se produc primii
-
vapori. Încălzind soluţia în continuare are loc procesul de
vaporizare 2-3. În acest timp concentraţia lichidului în amoniac se
micşorează întrucât s-a produs o cantitate mai mare de vapori de
amoniac decât vapori de apă. Spre exemplu, în punctul A, de
temperatură tA, concentraţia lichidului în amoniac este ξA ’ <
ξ1.
Fig. 7.1.3. Reprezentarea în diagrama t-ξ-p a vaporizării şi
condensării soluţiei binare
În punctul 3 se vaporizează ultima picătură de lichid şi se
obţin
vapori de concentraţie ξ1. Dacă se încălzesc în continuare
vaporii saturaţi, aceştia se supraîncălzesc şi au starea 4.
Se observă că vaporizarea soluţiei lichide nu a avut loc la
temperatură constantă, ci cu variaţia ei în intervalul t2 - t4 şi
din acest punct de vedere, soluţia se comportă diferit de
componenţii puri. Dacă se repetă experienţa cu alte concentraţii se
obţin alte temperaturi la care începe şi la care se termină
fierberea. Locul geometric al punctelor de începere a fierberii
determină curba de vaporizare, iar locul geometric al punctelor de
terminare a fierberii determină curba de condensare. Suprafaţa
dintre cele două curbe se numeşte lentilă de vaporizare. Suprafaţa
de sub curba de vaporizare se numeşte zona de lichid subrăcit, iar
suprafaţa de deasupra curbei de condensare se numeşte zona de
vapori supraîncălziţi. În lentila de vaporizare se găsesc vapori
umezi. Procesul de condensare are loc în sens invers procesului de
vaporizare. Vaporii supraîncălziţi de stare 4 se răcesc la ξ1 = ct.
până începe să se producă prima picătura de condens în punctul 3
(v.fig.7.1.3). La început condensul conţine mai mulţi vapori, dar
pe măsura scăderii temperaturii cantitatea de condensat creşte,
până când se obţine
-
starea 2 de soluţie saturată, marcând terminarea condensării.
Lichidul format, de stare 2, se poate răci în continuare,
obţinându-se lichid subrăcit de stare 1. În cazul presiunilor mai
mari lentila de vaporizare se micşorează.
• Absorbția
Principiul de funcționare al instalațiilor frigorifice cu
absorbție se bazează pe fenomenul de absorbție a vaporilor de agent
frigorific de către o substanță absorbantă aflată în stare
lichidă.
Analiza se va face pentru soluția hidroamoniacală, în figura
7.1.4 fiind reprezentate izobarele de vaporizare și de condensare
în diagrama T-ξ-p.
Fig.7.1.4. Diagrama T-ξ-p pentru soluția amoniac-apă
Dacă se pune în contact lichidul de stare 1, caracterizat de
parametrii T1 și ξ1, cu vaporii supraîncălziți de stare 2,
caracterizați de parametrii T2 și ξ2 , procesul de absorbție se va
desfășura astfel:
Ø vaporii supraîncălziți se răcesc de la temperatura T2 până
la temperatura de saturație TS, corespunzătoare presiunii de
vaporizare p0. Căldura extrasă pentru unitatea de masă va fi:
]/[)( 21 kgkJTTcq sp −⋅= Ø vaporii își continuă lichefierea
cedând căldura de
vaporizare: ]/[2 kgkJrq =
-
Ø agentul frigorific lichid având temperatura TS < T1 se va
încălzi până la temperatura lichidului, primind căldura:
( ) ]/[13 kgkJTTcq sp −⋅= Ø agentul frigorific lichid este
absorbit de agentul absorbant
cedând căldura de reacție: ]/[4 kgkJlq =
Ø efectul termic total al procesului de absobție va fi: ]/[4321
kgkJqqqqq +−+=
Deoarece contribuţia factorilor q1 si q3 în efectul termic total
este mult mai mică decât a factorilor q2 si q4, ei pot fi neglijaţi
şi în consecinţă căldura de absorbţie va fi:
]/[ kgkJlrq += Această căldură reprezintă şi căldura ce trebuie
cedată
amestecului pentru separarea vaporilor în procesul de
rectificare.