Mașină frigorifică cu compresiune mecanică de vapori

thumb|Cea mai simplă schemă a unei mașini frigorifice cu compresiune mecanică de vapori, monoetajatăA: mediul ambiantB: zona răcităI: izolație termicăC: compresorK: condensatorL: ventil de laminareV: vaporizator O mașină frigorifică cu compresiune mecanică de vaporiPopa, 1986, p. 636Barbu, 1965, p. 54Dănescu, 1987, p. 169 este o mașină frigorifică care funcționează după un ciclu termodinamic inversat în domeniul vaporilor umezi ai refrigerentului. Datorită eficienței sale, este cel mai folosit procedeu la frigidere, congelatoare, depozite de alimente și condiționare a aerului. La scară industrială este folosit în rafinării, uzine chimice și petrochimice. Se realizează instalații într-o treaptă (monoetajate), cu două trepte (bietajate) sau în cascadă.Popa, 1986, pp. 636–640

Mașini monoetajate thumb|upright=1.5|Reprezentare tipică în diagrama p-V a unui ciclu simplu (monoetajat) cu compresiune de vapori Domeniul acestor mașini este răcirea unui spațiu până la −25 °C.Bălan, curs, p. 46

Teoretic, cel mai eficient ciclu termodinamic după care ar putea funcționa o mașină frigorifică este ciclul Carnot inversat care se desfășoară în domeniul vaporilor umezi.Bălan, curs, p. 30Ormenișan, curs, pp. 43–45 Acolo transformările care preiau, respectiv cedează căldura se pot realiza practic izotermic prin două transformări de fază: vaporizarea, respectiv condensarea agentului frigorific, astfel că ciclul mașinilor cu vapori este mai aproape de un ciclu ideal decât alte cicluri.Bălan, curs, p. 24 The Ideal Vapor-Compression Cycle

Ridicarea presiunii pentru ramura caldă (în condensator) se face cu un compresor. Însă reducerea presiunii pentru ramura rece (în vaporizator) nu este convenabil să se facă cu un detentor, datorită dificultăților de etanșare ale circuitului. Un compresor poate fi inclus împreună cu motorul său de acționare într-o incintă etanșă, deoarece energia necesară acționării compresorului poate fi introdusă electric. Însă detentorul ar furniza lucrul mecanic recuperat la un ax, complicat de etanșat. La mașinile frigorifice cu aer neetanșeitățile circuitului nu au importanță, dar la agenții frigorifici folosiți de mașinile frigorifice cu vapori pierderile de agent frigorific sunt inacceptabile. În plus, lucrul mecanic recuperabil într-un detentor este relativ mic, deoarece aici agentul frigorific este format din vapori umezi cu titlul mic, adică cu puțin gaz și mult lichid, care, fiind incompresibil, nu produce lucru mecanic. Din aceste motive detentorul este înlocuit cu un dispozitiv de strangulare numit ventil de laminare (sau ventil de reglare), mult mai simplu și a cărui construcție poate fi etanșă. În acest ventil destinderea se face izentalpic. Ventilul de laminare are un element de prescriere cu care se poate regla raportul de presiuni, respectiv temperaturile. Dacă regimul de funcționare este stabil și nu necesită reglare, ventilul de laminare poate fi înlocuit cu un tub capilar (cu o secțiune foarte mică) a cărei lungime poate fi stabilită astfel încât rezistența hidrodinamică a tubului să producă aceeași scădere de presiune ca și ventilul, într-un proces laminar similar. Deci, ciclul este format din două transformări izobar-izotermice și unul izentalpic, care în diagrama p-h se reprezintă prin linii drepte, motiv pentru care această diagramă este preferată la proiectarea acestor mașini.Barbu, 1965, p. 55Bălan, curs, p. 31Ormenișan, curs, pp. 55–57Ghiauș, curs, p. 151

În ciclul din figura alăturată agentul frigorific intră în compresor în starea 1, de vapori saturați uscați și sunt comprimați la o presiune mai mare, rezultând și o temperatură mai ridicată. Comprimarea ideală este adiabatică, până în starea 2', însă, datorită randamentului subunitar al compresorului, comprimarea reală se face până în starea 2. Vaporii comprimați se află acum în starea termodinamică de vapori supraîncălziți care pot fi condensați folosind ca mediu de răcire apa sau aerul. Condensarea se face în condensator, pentru ciclul din imagine până la starea 3, de lichid la saturație. În urma condensării, căldura latentă de condensare este cedată mediului de răcire. În continuare presiunea lichidului saturat este redusă până la starea 4 în ventilul de laminare, rezultând vaporizarea parțială a lichidului și scăderea temperaturii agentului frigorific până la temperatura de saturație corespunzătoare presiunii stării 4. În această stare agentul frigorific intră în vaporizator și este vaporizat complet, revenind la starea 1. În cursul vaporizării el absoarbe din spațiul răcit căldura latentă de vaporizare la presiunea respectivă a restului de lichid. Cu revenirea în punctul 1 ciclul se reia. Schema este prevăzută cu o posibilitate de separare a lichidului încă nevaporizat pentru a împiedica lichidul să ajungă în compresor, unde ar putea provoca lovituri de berbec.Barbu, 1965, pp. 54–57Bălan, curs, pp. 35–38

Eficiența unei astfel de scheme este:Bălan, curs, p. 39Ghiauș, curs, p. 153

unde cu sunt notate entalpiile masice, iar este lucrul mecanic consumat de compresor.

Schema cu subrăcirea condensatului thumb|upright=1.5|Schema cu subrăcirea condensatului pe baza supraîncălzirii vaporilor (regenerare) thumb|upright=1.5|Reprezentarea în diagrama p-h a ciclului cu subrăcirea condensatului pe baza supraîncălzirii vaporilor Una dintre posibilitățile de îmbunătățire a schemei este subrăcirea condensatului de agent frigorific. După condensarea completă în condensator, condensatul trece printr-un schimbător de căldură suplimentar, unde se răcește sub temperatura de saturație folosind un mediu mai rece (de exemplu apă rece de la robinet) decât mediul ambiant (de exemplu aerul atmosferic) în care se evacuează căldura din ciclu. În diagrama p-h punctul 3 se va deplasa în punctul 3', ceea ce înseamnă că pentru același lucru mecanic consumat de compresor se va evacua mai multă căldură. Însă situația este condiționată de existența sursei de răcire suplimentare.Barbu, 1965, pp. 68–71Bălan, curs, pp. 40–41

O variantă a acestei scheme este cea cu regenerare în care subrăcirea condensatului se face cu agentul frigorific rece de la ieșirea din vaporizator. Varianta presupune existența unui schimbător de căldură intermediar, în care căldura cedată prin transformarea 3–3' este preluată de vaporii de agent frigorific în transformarea 1–1', în care acești vapori se supraîncălzesc. Pentru a comprima acești vapori supraîncălziți, compresorul va consuma mai mult lucru mecanic. Eficiența termică a acestei variante este practic aceeași cu a schemei fără subrăcire, însă este exclus să ajungă lichid la compresor, astfel că acesta lucrează în condiții mai sigure și poate fi conceput astfel încât să aibă el însuși o eficiență mai mare.Bălan, curs, pp. 42–45

Schema cu ejector thumb|upright=1.5|Schema cu ejector; numerotarea nu corespunde cu diagrama p-h de deasupra, iar separatorul de ulei este necesar doar la schemele în care ungerea compresorului nu este separată de circuitul agentului frigorific Principala completare a acestei scheme este separatorul, în care vaporii agentului frigorific se separă de lichid. Ca urmare, compresorul este alimentat exclusiv cu vapori saturați uscați, efect benefic în special la sarcini mari. Lichidul separat este trimis din nou la vaporizator, acesta fiind alimentat exclusiv cu lichid — nu cu vapori cu un anumit titlu, cum ies din ventilul de laminare — ceea ce îmbunătățește și funcționarea vaporizatorului deoarece coeficientul de convecție termică este mult mai bun pentru lichide decât pentru vapori. Separatorul formează un mic rezervor tampon între vaporizator și compresor, asigurând o funcționare uniformă.Barbu, 1965, p. 57

Introducerea în schemă a unui ejector sau a unei pompe permite recircularea lichidului prin vaporizator, respectiv mărirea vitezei agentului frigorific în vaporizator, ceea ce determină un coeficient de convecție mai bun. Ejectorul este preferat pentru simplitatea sa constructivă și fiabilitatea sa, iar eficiența sa termică redusă nu are importanță deoarece fluidul motor (tot agent frigorific) este recuperat în schemă. Prin introducerea sa factorul de recirculare (raportul dintre cantitatea de agent frigorific care intră în vaporizator și cantitatea de vapori de la ieșire) este de 6...8. Ca urmare, vaporizatorul nu furnizează vapori saturați uscați, ci vapori cu titlul de doar, 12...15 %, adică majoritatea lichid, fapt care determină un coeficient de convecție termică mai bun.

Mașini bietajate Pe măsură ce este nevoie de o temperatură mai joasă a spațiului răcit, scade și presiunea din ramura de presiune joasă a ciclului, deci compresorul trebuie să lucreze la un raport de comprimare mai mare, care este neeconomic, sau chiar imposibil de realizat. O soluție este fracționarea ciclului la o presiune intermediară, și comprimarea agentului frigorific (același agent frigorific) în două trepte, cu două compresoare diferite.Barbu, 1965, p. 72Bălan, curs, p. 46Ormenișan, curs, p. 59 Domeniul acestor mașini este răcirea unui spațiu până la −25...−60 °C. Pentru a reduce lucrul mecanic consumat de compresoare, după prima treaptă de comprimare, la presiunea intermediară, vaporii de agent frigorific sunt răciți la temperatura de saturație corespunzătoare acestei presiuni. Acest lucru se poate face într-un schimbător răcit cu apă, sau într-un schimbător de căldură prin amestec, care joacă și rolul de separator.Bălan, curs, pp. 47–51Ormenișan, curs, pp. 60–61

Răcirea intermediară cu apă presupune intercalarea unui schimbător de căldură „intermediar”, între cele două compresoare și existența unui mediu de răcire (de exemplu apă de răcire) sub temperatura de saturație a agentului frigorific la presiunea intermediară (practic minim 10° C sub temperatura de saturație, pentru a avea diferența de temperatură necesară schimbului de căldură în răcitorul intermediar). Prin răcire, lucrul mecanic consumat de compresoare este mai mic decât cel consumat dacă comprimarea s-ar executa într-o singură treaptă, fapt ușor de văzut prin reprezentarea ciclului într-o diagramă T-s.Bălan, curs, p. 47

Majoritatea schemelor bietajate folosesc drept răcitor intermediar o butelie de separare. Există diferite variante de scheme bietajate, dintre care în continuare vor fi prezentate două.

Mașina bietajată cu comprimare în două trepte și destindere într-o singură treaptă thumb|upright=1.5|Schemă bietajată cu comprimare în două trepte și destindere într-o singură treaptă thumb|upright=1.5|Reprezentarea în diagrama p-h a ciclului după care funcționează schema precedentă