Mașină frigorifică

O mașină frigorifică^[1][2] sau instalație frigorifică^[3][4][5] este o instalație destinată răcirii și menținerii temperaturii unei zone sub temperatura mediului ambiant. Răcirea se obține în urma unui consum de energie, prin metode termodinamice sau prin efecte termoelectrice^⁠(d). Prin metode termodinamice mașina are ca agent de lucru un agent frigorific și funcționează după un ciclu inversat.^[5] Domeniul de răcire al acestora este până la −150 °C (123 K), sub care este domeniul mașinilor criogenice. Există și alte metode de răcire, care nu folosesc „mașini”.

Deși principial și funcțional nu există deosebiri, de obicei expresia „instalație frigorifică” se referă la un ansamblu de componente: schimbătoare de căldură, compresoare, detentoare și alte componente,^[5] care asigură funcționarea unui obiectiv mare, cum ar fi un depozit frigorific, un patinoar etc. Expresia „mașină frigorifică” se referă de obicei la o instalație unitară, minimală, cum ar fi o vitrină frigorifică, un frigider sau un congelator.

Prima mașină frigorifică, care era una cu compresie mecanică de vapori în circuit închis și putea funcționa continuu, a fost construită în 1834 de Jacob Perkins.^[6] Aceasta folosea ca agent frigorific oxidul de etilenă (C₂H₄O), care era foarte inflamabil și toxic.^[7] Un prototip similar a fost construit în 1842 de John Gorrie, care l-a patentat în 1851,^[8] însă fără succes comercial.

Prima mașină frigorifică cu absorbție (fără compresor), acționată de o sursă de căldură, a fost construită de Edward Toussaint din Franța în 1859 și brevetată în 1860. Mașina folosea ca agent frigorific amoniac (NH₃, R717) dizolvat în apă.

În 1876 Carl von Linde a brevetat o metodă îmbunătățită de lichefiere a gazelor și a creat prima mașină frigorifică eficientă.^[7][9] Metoda folosea ca agenți frigorifici amoniacul, dioxidul de sulf (SO₂, R764) și clorometanul (CH₃Cl, R40), care au fost folosiți până în anii 1920, deși erau toxici.^[10]

Primul frigider casnic a fost construit în 1913 și patentat în 1915 de Fred W. Wolf. Era o mașină care folosea ca agent frigorific amoniacul, montată deasupra compartimentului cu gheață al unui dulap frigorific.^[11][12] Frigiderele s-au generalizat în SUA în anii 1930, când s-a introdus ca agent frigorific freonul-12 (CCl₂F₂, R12), neinflamabil și netoxic.^[7]

Mașinile frigorifice se clasifică în:^{[13][14][15][16]}

Mașini frigorifice care lucrează în procese termodinamice ciclice

• mașini frigorifice cu compresiunea aerului;
• mașini frigorifice cu destindere în câmp turbionar;
• mașini frigorifice cu compresiune mecanică de vapori;

• într-o treaptă;
• cu două trepte;
• în cascadă;

• mașini frigorifice cu ejector (cu compresiune de abur rece).
• mașini frigorifice cu absorbție (cu compresiune termochimică);

• cu agent frigorific soluție amoniacală;
• cu agent frigorific abur rece și soluție de bromură de litiu;
• cu absorbție-difuziune;

Mașini frigorifice cu răcire termoelectrică

• mașini frigorifice cu răcire prin efect Peltier;

Mașini frigorifice cu adsorbție

Căldura este o formă de energie, al cărei potențial termic este definit de temperatură. Răcirea unei zone (a unui spațiu) presupune o extragere de căldură din zonă și transmiterea ei mediului ambiant. Încă din secolul al XVIII-lea se știa empiric că căldura trece doar de la corpurile calde la cele reci, nu și invers. Deci, pentru a răci o zonă (un spațiu) este nevoie de a realiza un sistem termodinamic care lucrează între o temperatură mai mică decât cea a zonei răcite și una mai mare decât a mediului ambiant.

La o mașină frigorifică care lucrează în ciclu inversat, acest lucru se poate realiza doar prin consumarea unui lucru mecanic, fapt subliniat în formularea lui Rudolf Clausius a principiului al doilea al termodinamicii: Fără consum de lucru mecanic este imposibil să se treacă căldură de la un corp mai rece la un corp mai cald cu o mașină care funcționează ciclic în mod spontan. În practică, lucrul mecanic necesar conform principiului este consumat:

• la mașinile frigorifice cu compresiunea aerului, pentru a realiza comprimarea adiabatică a aerului rece până la o temperatură mai ridicată decât cea a mediului ambiant;^[17]
• la mașinile frigorifice cu compresiune de vapori, pentru a realiza presiuni scăzute, respectiv ridicate ale agentului frigorific, presiuni la care punctele de vaporizare, respectiv de condensare ale agentului sunt sub temperatura zonei răcite, respectiv peste temperatura mediului ambiant.^[18]

La mașinile frigorifice cu ejector, energia consumată este entalpia fluidului motor (abur) care realizează comprimarea mecanică a agentului frigorific (apă).^[19]

La o mașină frigorifică cu absorbție, energia consumată sub formă de căldură este necesară pentru a realiza temperaturi la care afinitatea pe care o au unele substanțe față de vaporii altei substanțe are valori corespunzătoare situațiilor în care se dorește ca vaporii să fie absorbiți, respectiv degajați dintr-un agent de transport.^[20]

La o mașină frigorifică care lucrează pe baza efectului Peltier, energia consumată este cea a curentului electric necesar pentru realizarea diferenței de temperatură necesară între joncțiunile diferitelor materiale adecvate. În lipsa acestui curent efectele termoelectrice încetează.^[21]

Aerul este un agent de lucru abundent și disponibil gratuit, deci pare a fi naturală folosirea sa. Primele mașini frigorifice cu aer funcționau după schema din figura alăturată. Partea rece și caldă a instalației se obținea printr-un ansamblu compresor–detentor care lucrau sincron, fiind montate pe aceeași tijă, antrenată de un motor. Detentorul destindea aerul, care astfel se răcea sub temperatura spațiului răcit. În schimbătorul de căldură din zona răcită aerul prelua căldură la presiune constantă, încălzindu-se într-o oarecare măsură, dar, totuși, rămânând sub temperatura zonei răcite. Acest aer era apoi comprimat de compresor până la o temperatură superioară mediului ambiant. Aerul cald trecea prin schimbătorul de căldură din partea caldă, unde ceda căldură la presiune constantă mediului ambiant sau apei de răcire, răcindu-se întrucâtva, dar nu până la temperatura mediului sau a apei de răcire. Acest aer intra apoi în detentor, iar ciclul se relua.^[22]

În diagramele p-V și T-s din imaginea alăturată este prezentat ciclul idealizat al acestei mașini. În exemplul din diagramă presiunea din zona rece este p₀ = 1 bar, iar cea din zona caldă este p_k = 4 bar. În urma comprimării izentropice 1–2, temperatura aerului crește de la t₁ = −5 °C = 268 K la t₂ = 120 °C = 393 K. În schimbătorul de căldură din zona caldă, în procesul izobar 2–3 aerul cedează căldură mediului de răcire, răcindu-se până la temperatura mediului, t₃ = 20 °C = 293 K. În destinderea izentropică 3–4 aerul se răcește până la t₄ = −75 °C = 198 K. În schimbătorul de căldură din zona rece, în procesul izobar 4–1 aerul primește căldură din zona rece, încălzindu-se până la temperatura, t₁ = −5 °C și ciclul se reia.^[22]

În diagrama p-V, L_c este lucrul mecanic tehnic produs de detentor, care, prin tija de legătură recuperează o parte a lucrului mecanic tehnic consumat de compresor, astfel că motorul de acționare nu mai trebuie să acopere decât lucrul mecanic ciclic, L. În diagrama T-s, Q₀ este căldura extrasă din spațiul răcit.^[22] Eficiența teoretică a acestui ciclu, considerând capacitatea termică masică a aerului ca fiind constantă cu temperatura, este^[22]

${\displaystyle \epsilon ={\frac {Q_{0}}{|L|}}={\frac {{\dot {m}}\,c_{p}(T_{1}-T_{4})}{{\dot {m}}\,c_{p}(T_{2}-T_{1})-{\dot {m}}\,c_{p}(T_{3}-T_{4})}}={\frac {T_{1}-T_{4}}{(T_{2}-T_{1})-(T_{3}-T_{4})}}}$

unde ${\displaystyle {\dot {m}}}$ este debitul masic de aer din circuit.

Cu valorile numerice de mai sus, eficiența este:^[22]

${\displaystyle \epsilon ={\frac {268-198}{(393-268)-(293-198)}}=2,33=233\,\%}$

Eficiența ciclului Carnot inversat care lucrează între aceleași temperaturi este^[22]

${\displaystyle \epsilon _{C}={\frac {T_{1}}{T_{3}-T_{1}}}={\frac {268}{293-268}}=10,72=1072\,\%}$

Deci, eficiența mașinii frigorifice cu aer este departe de eficiența ciclului Carnot. Mărirea eficienței se poate obține prin scăderea raportului de comprimare (în exemplul de mai sus este 4:1), dar asta duce la creșterea debitului de aer ${\displaystyle {\dot {m}}}$ din ciclu, respectiv creșterea dimensiunilor utilajului, care și așa sunt mari.^[23]

Ciclul prezentat este unul ideal, în care eficiențele compresorului și detentorului sunt 100 %. În realitate, eficiența compresorului este de 70–85 %, iar a detentorului de 70–80 %, ca urmare eficiența instalației se înjumătățește. Ținând cont și de alte pierderi (frecări, neetanșeități, infiltrații de căldură), eficiența instalației este și mai mică, de câteva ori mai mică decât a instalațiilor frigorifice cu vapori.^[23]

În afară de asta, temperaturile foarte scăzute din detentor duc la condensarea umidității din aer sub formă de zăpadă, ceea ce obturează circuitul. Măsurile necesare pentru separarea umidității complică instalația.^[24]

Pentru instalații frigorifice foarte mari o soluție este înlocuirea perechii compresor–detentor cu o pereche turbocompresor–turbodetentor, pentru care debitele de aer foarte mari la rapoarte de comprimare mici nu sunt o problemă. O soluție pentru reducerea dimensiunilor acestora este funcționarea întregului circuit la presiuni foarte mari, de exemplu în zona caldă p_k = 250 bar, iar în zona rece p₀ = 150 bar, rezultând un raport de comprimare de doar 250/150 = 1,67 , favorabil, și debite de zeci de ori mai mici.^[24]

O aplicație a mașinii frigorifice cu aer se întâlnește curent la avioanele propulsate de turbine cu gaze, unde există aer comprimat furnizat de compresoarele motoarelor.^[24]

Principalul avantaj al mașinilor frigorifice cu aer este, alături de simplitatea lor, faptul că agentul lor frigorific (aerul) este complet nepoluant.^[24]

Un dispozitiv mecanic simplu care oferă un jet de aer răcit este tubul vortex. Acesta, deși nu are nicio piesă în mișcare, reușește să creeze două jeturi de aer la temperaturi diferite prin destinderea aerului comprimat într-o curgere în rotație. Deoarece pentru a funcționa are nevoie de energie sub formă de aer comprimat, din punct de vedere termodinamic este considerat o mașină. Aerul, la temperatura camerei, este introdus tangențial într-o cameră de turbionare, iar în interiorul tubului apar două vârtejuri, unul cald, la periferie, iar celălalt rece, în interior. Fiecare dintre acestea este evacuat prin ajutajele corespunzătoare aflate la capetele tubului.^[25]. Temperaturile jeturilor pot atinge 200 °C la capătul fierbinte, respectiv −50 °C la capătul rece.^[26] Deoarece nu folosește ca agent frigorific decât aerul este considerat un dispozitiv ecologic^⁠(d).^[27] Însă eficiența sa este mică,^[28] motiv pentru care este folosit doar pentru răciri punctuale mici și unde aerul comprimat este disponibil, de exemplu la răcirea sculelor așchietoare ale mașinilor-unelte folosind rețeaua de aer comprimat a atelierului.

• Bazil Popa și colab., Manualul inginerului termotehnician (MIT), vol. 2, București: Editura Tehnică, 1986
• Alexandru Dănescu ș.a., Lexicon de termodinamică și mașini termice, vol. II F-N, București: Editura Tehnică, 1987
• Virgil Barbu, Mașini frigorifice, București, Editura Didactică și Pedagogică, 1965
• Mugur Ciprian Bălan, Instalații frigorifice. Teorie și programe pentru instruire (curs), Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, accesat 2024-08-25
• Adrian Gabriel Ghiauș, Termodinamică, Cap. 14 Mașini frigorifice (curs), Universitatea Tehnică de Construcții din București, accesat 2024-08-25

	Portal Fizică
	Portal Inginerie mecanică

• Materiale media legate de mașină frigorifică la Wikimedia Commons