Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti

UNIVERSITATEA TEHNIC DE CONSTRUC II BUCURETI Facultatea de Inginerie a Instala iilor

TEZA DE DOCTORAT (rezumat)

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice

Doctorand Ing. Ion Zabet Conductor tiin ific Prof. univ. dr. ing. Graiela Maria rlea

BUCURETI 2011

Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti

UNIVERSITATEA TEHNIC DE CONSTRUC II BUCURETI Facultatea de Inginerie a Instala iilorTitularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe ntreaga perioad a stagiului de pregtire doctoral de burs atribuit prin proiectul Burse doctorale pentru ingineria mediului construit, cod POSDRU/59/1.5/S/2, beneficiar UTCB, proiect derulat n cadrul Programului Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane, finanat din Fondurile Structurale Europene, din Bugetul naional i cofinanat de ctre UTCB.

TEZA DE DOCTORAT (rezumat)

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorificeDoctorand Ing. Ion Zabet Conductor tiin ific Prof. univ. dr. ing. Graiela Maria rlea

BUCURETI 2011

Ing. Ion Zabet

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice

Ing. Ion Zabet

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice Cuvnt nainte

La ncheierea procesului de elaborare a lucrrii de doctorat, doresc s aduc mulumiri n mod deosebit conductorului tiinific, D-nei. Prof. Univ. Dr. Graiela Maria rlea, pentru sprijinul total i necondiionat pe care mi l-a acordat pe parcursul celor trei ani de experiene i studiu. Prin profesionalismul su de nalt inut academic, prin tactul pedagogic, rbdarea, nelegerea, manifestarea, ct i prin cunotinele mprtite, ncurajarea permanent i ndrumarea pe etape succesive n care m-a susinut, inclusiv n toate etapele proiectului, domnia sa a avut o contribuie foarte important n elaborarea i finalizarea acestei lucrri. Sub ndrumarea D-nei. Prof. Univ. Dr. Graiela Maria rlea, am participat la numeroase manifestri tiinifice din ar i strintate, unde am prezentat lucrri tiinifice publicate ulterior n reviste de specialitate. O importan deosebit n realizarea tezei a avut-o totodat perioada de pregtire din cadrul Universitii din Lige (Belgia). Doresc s mulumesc echipei de profesori i cercettori din cadrul catedrei de termodinamic a fluidelor de la aceast universitate, coordonata de Dl. Prof. Dr. ing. Vincent Lemort, pentru suportul material i moral acordat, cunotinele mprtite i sfaturile deosebit de utile pe care mi le-a dat. Mulumesc de asemenea D-lui. Asist. Univ. Sylvain Quoilin, fr de care realizarea standului experimental i obinerea multora dintre rezultatele tiinifice pentru aceast lucrare nu ar fi fost posibile, precum i domnilor ingineri Georges Bernard, Declaye Sbastien, Concha Jos i Labenda Richard, pentru cunotinele transmise mie i aprecierile deosebit de avizate pe care le-au furnizat. n acest moment de bilan, in s mulumesc de asemenea att D-lui. Prof. Univ. Dr. ing. Drago Hera i Prof. Univ. Dr. ing. Dan Stnescu, ct i ntregului corp didactic din cadrul departamentului de termotehnic pentru punctele de vedere exprimate, sprijinul moral i susinerea permanent acordate. Mul umesc de asemenea i urmtorilor domni profesori: Prof. Univ. Dr. Ing. Gabriel Ivan, Prof. Univ. Dr. ing. Valeriu Damian i Prof. Univ. Dr. ing. Theodor Mateescu pentru sprijinul acordat n finalizarea tezei doctorale. Pentru ntregul suport tehnic acordat doresc s aduc mulumiri D-lui. Dr. ing. Eric Winandy, directorul departamentului de inginerie aplicat de la Emerson Climate . Mulumesc domnilor directori generali Laureniu Karp, Florin Niculescu, Ctlin Stnculescu, Nicuta Dumitru i Panciu Dorel pentru soluiile inginereti valoroase i suportul tehnic acordat n conceperea, proiectarea, montarea, punerea n funciune i monitorizarea standului experimental din cadrul Laboratorului din Colentina al Universitii Tehnice de Construcii Bucureti. Doresc de asemenea s-mi exprim mulumirile i recunotina urmtoarelor cadre profesorale i confereniare universitare: Prof. Univ. Dr. ing. Ana Maria Bianchi, Prof. Dr. ing. Robert Gavriliuc, Prof. Dr. ing. Florea Chiriac, Conf. Dr. ing. Ghiaus Adrian, Conf. Dr. ing. Mihalascu Gheorghe, Conf. Dr. Ing. Laureniu Olan Conf. Dr. ing. Florin Bltreu, Conf. Dr. ing. Rodica Dumitrescu i d-lui ing. Adrian Balaoi, pentru sfaturile competente acordate pe parcursul celor trei ani de studiu. Nu n ultimul rnd, trebuie s recunosc faptul c participarea mea n cadrul grupului int al proiectului strategic POSDRU/59/1.5/S/2, intitulat Burse doctorale pentru Ingineria Mediului Construit, mi-a asigurat toate condiiile materiale necesare parcurgerii cu succes a programului doctoral. n final, mulumesc prinilor, tatlui meu Alecsandru Zabet i mamei mele Mariana Zabet pentru educaia, sprijinul material i moral acordat, precum i soiei mele Alexandra Sabina Zabet, pentru nelegerea manifestata pe parcursul realizrii acestei lucrri.

CUPRINS1

Ing. Ion Zabet

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice 4 5 5 5 5 5 6 7 7 7 7 7 8 8 8 9 9 9 10 10 10 10 11 11 11 12 12 13 13 14 14 14 14 14 15 15 15 15 16 16 16 16 16 16 16

INTRODUCERE CAPITOLUL 1. CONSIDERAII PRELIMINARE 1.1. Obiective i modaliti de abordare 1.1.1. Obiectivul principal 1.1.2. Obiective secundare 1.2. Stadiul actual al cercetrii tiinifice CAPITOLUL 2. BAZE TEORETICE 2.1. Procesele termodinamice n sistemele frigorifice 2.1.1. Transferul de cldur i cderea de presiune n curgerea monofazic 2.1.2. Transferul de cldur i cderea de presiune n curgerea bifazic 2.1.3. Procesele termodinamice analizate 2.1.3.1. Procesul de comprimare 2.1.3.2. Procesul de vaporizare 2.1.3.3. Procesul de condensare 2.2. Compresorul 2.3. Vaporizatorul 2.3.1. Vaporizatorul cu evi i aripioare 2.3.2. Vaporizatorul de tip multitubular elicoidal 2.4 Condensator CAPITOLUL 3. MODELAREA MATEMATIC 3.1. Modelarea matematic a procesului de comprimare la compresorul spiroorbital (scroll) 3.1.1. Modelarea matematic a procesului de comprimare la compresorul spiroorbital (scroll) digital 3.1.2. Modelarea matematic a procesului de comprimare la compresorul spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori 3.2. Modelarea matematic a procesului din vaporizator 3.2.1. Modelarea matematic a procesului din vaporizatorul multitubular elicoidal 3.2.2. Modelarea matematic a procesului din vaporizatorul cu evi i aripioare 3.3. Modelarea matematic a procesului din vaporizatorul aferent cazului cu injecie 3.4. Modelarea matematic a proceselor termodinamice aferente sistemului frigorific cu compresor spiroorbital (scroll) digital 3.5. Modelarea matematic a proceselor termodinamice aferente sistemului frigorific cu compresor spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori CAPITOLUL 4. CERCETRI EXPERIMENTALE 4.1. Modelul experimental 4.1.1. Modelul experimental 1 ULg (cu compresor spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori) 4.1.1.1. Compresorul 4.1.1.2. Cazanul electric 4.1.1.3. Condensatorul (caracteristici geometrice) 4.1.1.4. Vaporizatorul (caracteristici geometrice) 4.1.1.5. Ventilele de laminare 4.1.2. Descrierea modelului experimental 2 UTCB (cu compresor spiroorbital (scroll) digital) 4.2. Aparatura de msur utilizat i procesul experimental 4.2.1. Model experimental 1 ULg (cu compresor spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori) 4.2.1.1. Msurarea presiunilor 4.2.1.2. Msurarea temperaturilor 4.2.1.3. Msurarea debitului masic i a densitii agentului frigorific 4.2.1.4. Msurarea consumului electric 4.2.2. Model experimental 2 UTCB (cu compresor spiroorbital (scroll))2

Ing. Ion Zabet Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice 4.3. Modul de lucru 4.4. Procesarea rezultatelor 4.4.1. Model experimental 1 ULg (cu compresor spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori 4.4.2. Model experimental 2 UTCB (cu compresor spiroorbital (scroll) digital) 4.5. Prezentarea i interpretarea rezultatelor experimentale 4.5.1. Model experimental 1 ULg (cu compresor spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori 4.5.1.1. Ecuaiile generale de echilibru ale vaporizatorului i condensatorului 4.5.1.2. Ecuaia de echilibru a calorimetrului compresorului 4.5.1.3. Randamentul procesului de comprimare aferent compresorului spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori 4.5.2. Model experimental 2 UTCB (cu compresor spiroorbital (scroll) digital) 4.5.2.1. Compresor spiroorbital (scroll) digital 4.5.2.2. Condensator rcit cu aer 4.5.2.3. Vaporizator rcit cu aer 4.5.2.4. Coeficientul de performan al sistemului frigorific 4.5.2.5. Date experimentale 4.5.3. Compararea cazului cu injecie/fr injecie de vapori la modelul experimental 1 CAPITOLUL 5. ANALIZA I VALIDAREA MODELRII M A T E M A T I C E 5.1. Analiza modelelor matematice 5.1.1. Analiza modelului matematic cu compresor spiroorbital (scroll) digital 5.1.2. Analiza modelului matematic cu compresor spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori 5.1.3. Analiza modelului matematic al vaporizatorului utilizat n procesul de vaporizare 5.1.3.1. Analiza modelului matematic pentru vaporizatorul multitubular elicoidal 5.1.3.2. Analiza modelului matematic pentru vaporizatorul cu evi i aripioare 5.1.4. Analiza modelului matematic al vaporizatorului utilizat n procesul de injecie 5.1.5. Analiza modelului matematic al sistemului frigorific cu compresor spiroorbital (scroll) digital 5.1.6. Analiza modelului matematic al sistemului frigorific cu compresor spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori 5.2. Validarea modelelor matematice 5.2.1. Validarea modelului matematic aferent procesului de comprimare pentru compresorul spiroorbital (scroll) digital 5.2.2. Validarea modelului matematic aferent procesului de comprimare pentru compresorul spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori 5.2.3. Validarea modelului matematic aferent procesului de vaporizare pentru vaporizatorul tip multitubular elicoidal 5.2.4. Validarea modelului matematic aferent procesului de vaporizare pentru vaporizatorul cu evi i aripioare CAPITOLUL 6. CONCLUZII GENERALE I CONTRIBUII PERSONALE 6.1. Concluzii generale 6.2. Contribuii personale 6.3. Probleme de perspectiv BIBLIOGRAFIE

17 17 17 17 18 18 18 18 18 19 19 19 19 19 19 20 21 21 21 21 22 22 22 23 23 24 25 25 25 25 25 26 26 28 29 29

INTRODUCERE3

Ing. Ion Zabet

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice

Con inutul tezei de doctoratPrezenta tez a fost realizat n cadrul Universitii Tehnice de Construcii Bucureti, Facultatea de Ingineria Instalaiilor, Departamentul de Termotehnic, sub ndrumarea doamnei Profesor Doctor Inginer Graiela Maria rlea. Autorul a beneficiat de un stagiu de cercetare la Universitatea din Liege (Ulg) din Belgia, Laboratorul de Termodinamic Aplicat sub ndrumarea domnului Profesor Doctor Inginer Vincent Lemort. Lucrarea intitulat "Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice" este axat pe cercetarea sistemelor frigorifice, punnd accent pe modelarea matematic i experimental a compresoarelor spiroorbitale (scroll) cu injecie de vapori i a compresoarelor spiroorbitale (scroll) standard (digitale conform denumirii date de productor). Cele dou sisteme studiate sunt: sistemul frigorific cu comprimare mecanic de vapori ntr-o treapt, cu compresor spiroorbital (scroll) cu/fr injecie folosind agentul frigorific R407C; sistemul frigorific cu comprimare mecanic de vapori ntr-o treapt, cu compresoare spiroorbitale (scroll)- digital i standard, folosind agentul frigorific R404A. Primul sistem a fost construit la Universitatea Tehnic de Construcii Bucureti (UTCB) - Complexul de Laboratoare Colentina. Al doilea sistem a fost realizat la Universitatea din Liege (ULg) - Departamentul de Termodinamic Aplicat. n Capitolul 1 se detaliaz realizrile i perspectivele n domeniul instalaiilor i echipamentelor frigorifice la nivel internaional. n Capitolul 2 se prezint o scurt descriere a proceselor termodinamice ce apar n cele dou sisteme. n Capitolul 3 se detaliaz modelarea matematic a proceselor i a sistemului frigorific, precum i componentele sistemului frigorific. n Capitolul 4 se prezint cercetrile experimentale efectuate n cadrul laboratoarelor celor dou universiti de prestigiu, din Romnia i din Belgia. n Capitolul 5 se prezint validarea modelelor matematice i analiza matematic a modelelor din capitolul 3. n Capitolul 6 se prezint concluziile i contribuiile personale rezultate n urma analizrii modelelor create pentru optimizarea eco-eficientei sistemelor frigorifice. Valorificarea rezultatelor celor trei ani de coal doctoral n peste 20 de articole i publicaii s-a materializat cu prilejul conferinelor, expoziiilor i workshop-urilor la nivel naional i internaional, att n jurnalul Universitii Tehnice de Construcii Bucureti, ct i n reviste de profil.

Importana i actualitatea subiectuluiCriza energetic major precum i nclzirea global care afecteaz n prezent economia mondial i viitorul societii umane, impun creterea performanelor energetice i ecologice ale echipamentelor i sistemelor frigorifice i de aer condiionat. n acest scop pe plan mondial exist un efort susinut pentru reducerea emisiilor de dioxid de carbon rezultate din arderea combustibililor fosili i a altor emisii de gaze cu efect de ser. n acest sens, utilizarea compresoarelor spiroorbitale (scroll) cu injecie de vapori, a compresoarelor spiroorbitale (scroll) digitale i a agenilor frigorifici ecologici, deschide aria unor multiple aplicaii n domeniul energetic i al ingineriei mecanice. Aceste compresoare se caracterizeaz prin durabilitate, eficienta, nivelul de zgomot i de vibraii redus datorat numrului mic de pari n micare, respectiv n frecare reciproc. Teza "Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice" se remarc prin faptul c reprezint o cercetarea aplicativ cu rezultate directe n domeniul sistemelor frigorifice.

1. CONSIDERA II PRELIMINARE4

Ing. Ion Zabet

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice

1.1.

Obiective i modalit i de abordare

1.1.1. Obiectivul principal Obiectivul principal al tezei de doctorat l constituie studierea din punct de vedere al eficienei energetice i ecologice a sistemelor frigorifice, punnd accent pe modelarea compresoarelor spiroorbitale (scroll) cu injecie de vapori i a compresoarelor spiroorbitale (scroll) digitale. n acest scop s-au analizat performanele termodinamice i ecologice a dou standuri experimentale. Primul stand experimental a fost construit n Romnia n cadrul Universitii Tehnice de Construcii Bucureti. Al doilea stand experimental a fost construit n Belgia n cadrul Universitii din Liege, Departamentul de Termodinamic Aplicat. 1.1.2. Obiective secundare

Printre obiectivele secundare tratate n aceast tez menionm: analiza stadiului actual al cercetrilor privind domeniul sistemelor frigorifice ecoeficiente, cu comprimare mecanic de vapori ntr-o treapt utiliznd compresoare spiroorbitale (scroll) cu injecie; determinarea relaiilor pentru calculul parametrilor termodinamici i fizici afereni compresoarelor spiroorbitale (scroll) cu injecie i digitale, a vaporizatoarelor multitubulare elicoidale, a vaporizatoarelor cu evi cu aripioare;

modelarea matematic a sistemului frigorific i a prilor componente; realizarea de cercetri experimentale pentru validarea rezultatelor numerice;

stabilirea de ecuaii criteriale pentru definirea coeficienilor de transfer de cldura n vaporizatoare, fluidelor din vaporizatoare, randamentelor echipamentelor, parte component din sistemele frigorifice;

crearea de diagrame de calcul pentru echipamentele analizate;

valorificarea rezultatelor cercetrii n domeniul echipamentelor frigorifice i sistemelor frigorifice.

1.2.

Stadiul actual al cercetrii tiin ifice

La nivel mondial cercetrile n domeniul sistemelor frigorifice eco-eficiente cu comprimare mecanic de vapori ntr-o treapt, utiliznd compresoare spiroorbitale (scroll) cu injecie, s-au dezvoltat ncepnd cu anul 2001. Totui cercettorii au avut preocupri privind mbuntirea puterii frigorifice prin aplicarea tehnicilor de injecie cu vapori sau lichid nc din 1976. Astfel, brevetarea procesului de injecie cu agent frigorific pentru un compresor cu urub aparine lui Haselden [1]. O analiz detaliat a situaiei actuale, n domeniu, este prezentat n cadrul tezei. De asemenea, se subliniaz rezultatele obinute de: Kamimura, Sawada, Satou, i Masuda [2], Cho i Bai [3], Fujita i Amo [4], Bush, s.a.. [5], Ignatiev i Caillat [6], care au fost luate in considerare in cercetrile realizate n cadrul laboratoarelor de termodinamic aplicat din cadrul universitii din Liege, n principal de Winandy & Lebrun [7] unde autorul tezei i-a adus aportul n cursul anului 2011. Avantajele utilizrii procesului de injecie cu vapori de agent frigorific sunt: mbuntirea puterii frigorifice;5

Ing. Ion Zabet Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice reducerea temperaturii vaporilor la refularea compresorului; variaia puterii termice a sistemului frigorific prin controlul injeciei de agent frigorific. A) Cercetarea la nivel internaional pentru sisteme frigorifice Domeniile de cercetare la nivel internaional referitoare la procesul de injecie cu agent frigorific se pot regsi i n principalele direcii promovate prin programele UE. Se prezint n continuare tematici n domeniu, abordate n ultimii zece ani, la nivel internaional: - nclzirea aerului cu ajutorul pompelor de cldur; - nclzirea apei cu ajutorul pompelor de cldur; - rcirea aerului cu ajutorul pompelor de cldur. B) Cercetarea la nivel internaional pentru echipamente La nivel internaional n domeniul cercetrii compresoarelor frigorifice, ca parte component a unui sistem frigorific/pomp de cldur, cercetrile s-au axat pe studiul compresoarelor cu urub, centrifugale, orbitale, i al celor cu piston. Cercetrile efectuate la nivel mondial n domeniul procesului de injecie s-au axat pe studierea locaiei portului (orificiului) de injecie, a presiunii de injecie i a raportului de injecie. Locaia orificiului de injecie este foarte important pentru mbuntirea performanelor compresorului frigorific. Procesul de injecie depinde de urmtorii parametri: raportul de eficien energetic (EER), coeficientul de performan, puterea frigorific i puterea termic. Rezultatele cercetrilor din ultimii ani au evideniat faptul c presiunea de injecie are un rol semnificativ asupra valorii entalpiei la intrarea n vaporizator, a debitului masic injectat precum i a debitului masic aspirat de compresor. C) Cercetarea la nivel naional n ultimii 10 ani, la nivel naional nu au fost realizate cercetri importante n domeniul compresoarelor spiroorbitale scroll. Totui prin programele de cercetare de excelen, din centrele universitare importante din Romnia, pentru sisteme i echipamente frigorifice i de aer condiionat, se remarc contribuia colectivului de cercettori de prestigiu din cadrul Catedrei de Termotehnic al Facultii de Inginerie a Instalaiilor din Universitatea Tehnic de Construcii Bucureti. Acetia au realizat un sistem modulat de compresoare spiroorbitale scroll n cadrul laboratorului Catedrei de Termotehnic axat n principal pe studiul proceselor de transfer de cldura i mas n schimbtoare de cldura compacte de tip plci i mini-canale, pentru consumatorii din climatizarea de confort [8].

2. BAZE TEORETICEn Capitolul 2 sunt descrise componentele sistemelor frigorifice cu compresie mecanic clasice studiate n aceast tez (compresoare, vaporizatoare i condensatoare), cu accent pe: descrierea compresoarelor i ecuaiilor simplificate utilizate la selectarea acestora; redarea aspectelor practice legate de vaporizatoare i condensatoare din literatura de specialitate; analizarea detaliat a procesului de vaporizare i condensare. Pentru a putea simula, selecta sau dimensiona aceste componente ale sistemelor frigorifice cu compresie mecanic, este necesar a fi analizate att procesele de transfer termic, tehnologiile existente i compatibilitatea ntre componente, ct i fluidele termice i impactul acestora asupra mediului.6

Ing. Ion Zabet

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice

2.1. Procesele termodinamice n sistemele frigorificeProcesul termodinamic sau transformarea termodinamic reprezint trecerea sistemului dintr-o stare de echilibru n alt stare de echilibru. [9]

2.1.1. Transferul de cldura i cderea de presiune n curgerea monofazicn acest subcapitol se descriu transferul de cldura i cderea de presiune n cazul curgerii monofazice, aferent modelelor matematice dezvoltate.

2.1.2. Transferul de cldura i cderea de presiune n curgerea bifazicn acest subcapitol, se descriu dou procese: procesul de condensare i procesul de vaporizare [10].

2.1.3. Procesele termodinamice analizate2.1.3.1. Procesul de comprimare Procesul de comprimare analizat n cadrul cercetrilor sistemelor frigorifice din aceast tez de doctorat este caracterizat [10] n principal de: Ciclul Carnot inversat (Figura 2-1); Ciclul frigorific teoretic ntr-o treapt de comprimare utiliznd ageni frigorifici (Figura 2-2); Ciclul frigorific cu injecie teoretic ntr-o treapt de comprimare utiliznd ageni frigorifici (Figura 2-3).

Figura 2-1: Ciclul Carnot inversat n sistemul de coordonate T-s100 6 10 8 5

50C 14,1C

4

3

Figura 2-2: Ciclul teoretic ntr-o treapt de comprimare utiliznd ageni frigorifici

] ra b p [

7 1

-11,7C

1

2

-35C

0,2

0,4

0,6

0,8

0,1 -50

0

50

100

150

200

250

300

350

h [kJ/kg]

7

Ing. Ion Zabet100

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice8 7 6 11 1 4 3 2 5

50C

1010-11,7C

14,1C

Figura 2-3: Ciclu frigorific cu injecie teoretic ntr-o treapt de comprimare n cadrului lucrrii de doctorat la acest subcapitol se descriu ecuaiile caracteristice ale procesului de comprimare. O parte din aceste ecuaii sunt utilizate n cadrul modelelor matematice de calcul. 2.1.3.2.Procesul de vaporizare Vaporizarea este procesul termodinamic prin care agentul frigorific i schimb starea de agregare din lichid n vapori, absorbind cldur de la mediul racit (aerul sau un agent termic lichid) [11]. Coeficientul global de transfer de cldura de la fluidul rcit la agentul frigorific bifazic este determinat n funcie de suprafaa de transfer de cldura a vaporizatorului. n cadrului lucrrii de doctorat la acest subcapitol se descriu ecuaiile caracteristice ale procesului de vaporizare. O parte din aceste ecuaii sunt utilizate n cadrul modelelor matematice de calcul. 2.1.3.3.Procesul de condensare Condensarea este procesul termodinamic prin care agentul frigorific i schimb starea de agregare din vapori n lichid, cednd cldur de la mediul nclzit (aerul sau apa de rcire a condensatorului) [11]. Condensarea vaporilor substanelor pure sau amestecurilor azeotrope este un proces care se desfoar izobar. Masa de condensat este determinat de cantitatea de substane care i schimb starea de agregare din gazoas n lichid, iar cldura specific latent de condensare caracterizeaz cantitatea de cldura transferat de unitatea de mas de vapori saturai care condenseaz [12]. n cadrului lucrrii de doctorat la acest subcapitol se descriu ecuaiile caracteristice ale procesului de condensare. O parte din aceste ecuaii sunt utilizate n cadrul modelelor matematice de calcul.

2.2. CompresorCompresoarele frigorifice mecanice se clasific n dou clase importante [12]: - compresoare volumice sau compresoare cu deplasare (generare de volum) pozitiv dup definirea dat de standardele americane; - compresoare dinamice; n aceast tez de doctorat s-au realizat cercetri referitoare la compresoarele spiroorbitale (scroll). Compresoarele spiroorbitale (scroll) se clasific n: Compresoare spiroorbitale (scroll) deschise; Compresoare spiroorbitale (scroll) semi-ermetice; Compresoare spiroorbitale (scroll) ermetice. Performanele compresoarelor spiroorbitale (scroll) [13] depind de caracteristicile8

] rab p [ 10,2 0,4

9-35C

Circuit frigorific

0,6

0,8

0,1 -50

0

50

100

150 200 h [kJ/kg]

250

300

350

Ing. Ion Zabet Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice agenilor frigorifici, de mecanismele de compresie i de motor. Principalele cauze ce pot avea efecte majore de scdere a acestor performane sunt: pierderi de presiune n compresor prin: robinetele de nchidere, zona de aspiraie, zona filtrelor, motor (compresoare ermetice), zona de refulare, separatorul de ulei intern etc.; cldura primit de la agentul frigorific, de la rcirea motorului ermetic i de la schimbtorul de cldur intern ntre condensator i conducta de aspiraie; pierderi de lucru mecanic datorate factorilor de frecare, consumului electric al pompei de ulei, pierderilor energetice provocate de randamentul subunitar al motoarelor electrice de antrenare; circulaia uleiului. Performanele compresoarelor spiroorbitale (scroll) au fost analizate i prin studierea randamentului volumic (v), i a celui izentrop (iz) [10].

2.3. VaporizatorulVaporizatorul reprezint echipamente componente ale unei instalaii frigorifice. Principiul de funcionare al vaporizatorului este urmtorul: ca urmare a vaporizrii agentului frigorific are loc rcirea unui fluid [12]. n cadrul lucrrii de doctorat la acest subcapitol se face o clasificare a vaporizatoarelor.

2.3.1. Vaporizatorul cu evi cu aripioareLa construirea unui vaporizator cu evi cu aripioare se utilizeaz, ca materiale pentru evi cupru i oel - inox, iar pentru aripioare aluminiu. Diametrul evilor la un vaporizator este cuprins, n mod normal, ntre 10 i 16 mm. Pentru o distribuie uniform a fluidului de rcire i pentru micorarea cderii de presiune, vaporizatorul cu evi cu aripioare este alimentat printr-un distribuitor. Vaporizatorul este alimentat cu fluidul de rcire prin intermediul unui ventil de destindere automat. Pentru a crea o curgere n contracurent ntre fluidul de rcire i fluidul rcit, distribuitorul trebuie s fie poziionat cel mai aproape de aspiraia fluidului rcit n vaporizator.

2.3.2. Vaporizatorul de tip multitubular elicoidaln aceast tez sunt abordate dou tipuri de vaporizatoare multitubulare elicoidale: unul pentru procesul de vaporizare i unul pentru procesul de injecie. n Figura 2-4 se prezint aceste vaporizatoare. Pentru a mbuntii transferul de cldur, aceste vaporizatoare din Figura 2-4 au evile interioare constituite cu aripioare la interior i la exterior.

Figura 2-4: Vaporizatoare multitubulare elicoidale Geometria evilor din interiorul vaporizatorului multitubular elicoidal utilizat se prezint n Figura 2-5.

9

Ing. Ion Zabet

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice

Figura 2-5: Tip de eava utilizat la vaporizatorul analizat: m pas aripioare, D diametru, s grosimea evii, h nlimea aripioarei

2.4. CondensatorulCondensatoarele sunt schimbtoarele de cldura, prin intermediul crora agentul frigorific cedeaz direct mediului ambiant (aerul exterior) sau printr-un agent de rcire (apa), cldura absorbit n timpul desfurrii ciclului frigorific n procesele de vaporizare i de comprimare. n cadrul lucarii de tez la acest subcapitol se descriu condensatoarele i se prezint o scurt clasificare a acestora [14].

3. MODELAREA MATEMATIC3.1. Modelarea matematic a procesului de comprimare la compresorul spiroorbital (scroll)Modelarea matematic s-a realizat pentru a putea determina ntr-un mod simplu performanele i caracteristicile aferente procesului de comprimare la compresorul spiroorbital (scroll). n actuala tez s-a dorit a se realiza un model simplificat de calcul n vederea obinerii polinoamelor de interpolare i generalizarea acestui model pentru compresoarele spiroorbitale (scroll). Modelele procesului de comprimare la compresor sunt detaliate n continuare pentru: Compresoare spiroorbitale (scroll) digitale; Compresoare spiroorbitale (scroll) cu injecie de vapori. Modelul matematic aferent procesului de comprimare la compresorul spiroorbital (scroll) digital este detaliat n continuare n scopul de a putea analiza performanele sistemului frigorific de comprimare mecanic de vapori ntr-o treapt funcionnd cu R404A. Ecuaiile care descriu modelele matematice aferente procesului de comprimare pentru cele dou tipuri de compresoare scroll sunt detaliate pe larg n subcapitolele 3.4 i 3.5. 3.1.1. Modelarea matematic a procesului de comprimare la compresorul spiroorbital (scroll) digital Modelul matematic care urmeaz a fi descris include 13 parametrii de introducere. Parametrii introdui sunt: presiunea la aspiraia i refularea compresorului, temperatura ambiant, supranclzirea la aspiraia compresorului, coeficientul global de transfer de cldura nominal pentru calorimetrul n care se gsete compresorul, coeficientul global de transfer de cldura nominal la aspiraia i refularea compresorului, diametrul fictiv impus (di; de) pentru simularea cderii de presiune la aspiraia i refularea compresorului, pierderile de energie electric la compresor, raportul volumetric al compresorului, viteza de rotaie a motorului compresorului i volumul dislocat (cilindree) al compresorului. Parametri rezultai sunt: debitul masic de agent frigorific, puterea mecanic a compresorului, temperatura agentului frigorific la refularea compresorului, randamentul volumic i izentrop al compresorului modelat.10

Ing. Ion Zabet Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice 3.1.2. Modelarea matematic a procesului de comprimare la compresorul spiroorbital (scroll) cu injec ie de vapori Modelul matematic al compresorului spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori are la baz 12 parametrii de introducere. Parametrii introdui sunt: presiunea la aspiraie i refularea compresorului, temperatura ambiant, supranclzirea la aspiraia compresorului, coeficientul global de transfer de cldura nominal pentru calorimetrul n care se gsete compresorul, pierderile de energie electric la compresor, raportul volumic al compresorului, raportul volumic al compresorului la primul proces de comprimare izentrop, viteza de rotaie a motorului compresorului, temperatura agentului frigorific la injecia n compresor, presiunea la procesul de injecie i volumul dislocat al compresorului. n urma modelrii rezult urmtorii parametrii calculai: Qaf;refulat;cp; Qaf;injectat;cp; Wcp; iz; v; Taf;e;cp.

3.2. Modelarea matematic a procesului din vaporizatorModelarea matematic a vaporizatoarelor reprezint un mod simplificat de calcul a performanelor. n acest scop se descriu n continuare modelele matematice a dou tipuri de vaporizatoare: vaporizatoare pentru rcirea/nclzirea unui lichid (de tip multitubular elicoidale); vaporizatoare pentru rcirea/nclzirea unui gaz (de tip cu aripioare i evi). Se vor descrie modelele aferente vaporizatoarelor utilizate n cadrul sistemului frigorific cu comprimare mecanic de vapori. Aceste modele matematice au domeniul de aplicabilitate la orice geometrie aferent tipului de vaporizator pentru care au fost create. 3.2.1. Modelarea matematic a procesului din vaporizatorul multitubular elicoidal Modelul este caracterizat prin: existena unui numr de n evi la interiorul mantalei aranjate echidistant, geometria vaporizatorului, tipul de curgere, agentul frigorific i agentul intermediar. Geometria i forma vaporizatorului este detaliat n Figura 3-1.

Figura 3-: Vaporizator multitubular elicoidal Geometria acestui tip de vaporizator este descris de urmtorii parametrii geometrici (Figura 2-6): pentru evile interioare sunt: numrul de evi (n), diametrul interior (d2), diametrul exterior al evii (d3), diametrul nervurii (d4), nlimea nervurii (h1), grosimea evii interioare (s2), pasul dintre dou nervuri (m), unghiul de nclinare al nervurilor exterioare (), randamentul nervurilor (), numrul de nervuri interioare (Ni) i nlimea nervurii interioare (h2); pentru manta sunt: nlimea vaporizatorului multitubular (H), lungimea (L), limea (l), diametrul mantalei (D), diametrul interior la intrarea agentului frigorific n vaporizator (d2), diametrul exterior la intrarea/ieirea agentului frigorific n vaporizator (d4), diametrul interior la ieirea agentului frigorific (d3), diametrul la intrarea/ieirea agentului11

Ing. Ion Zabet Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice intermediar (d1=di;ai) i conductivitatea termic a materialului din care sunt construite evile (). Tipurile de curgere sunt: contracurent, echicurent i ncruciat. Agenii intermediari sunt: propilen-glicol (de concentraie 50%) i apa. Agenii frigorifici inclui n modelul studiat sunt: R32, R123, R124, R125, R143a, R152a, R290, R404A, R407C, R410A, R423A, R500, R502, R508B, R507A, i R744. Dintre acetia accentul s-a pus pe studierea: R404A, R407C, R410A i R507A. Parametrii introdui sunt: presiunea de vaporizare i condensare (bar), debitul volumic de agent intermediar (m3/s), temperatura de intrare/ieire a agentului intermediar n/din vaporizator (C), temperatura de supranclzire (C) i temperatura de subrcire (C). Parametrii rezultai sunt: temperatura agentului frigorific la intrarea/ieirea din vaporizator (C), puterea frigorific a agentului frigorific (kW), coeficientul global de transfer de cldura (W/m2K), numrul de uniti de transfer de cldur i randamentul vaporizatorului NTU-, cderea de presiune (bar), coeficientul local de transfer de cldura convectiv pe partea agentului frigorific/agentului intermediar (W/m2K), numrul Nusselt pentru agent intermediar/agent frigorific, numrul Prandtl pentru agent intermediar/agent frigorific, puterea frigorific specific (W/m2), titlul de vapori, numrul Reynolds pentru agent intermediar/agent frigorific i viteza masic (kg/m2s). 3.2.2. Modelarea matematic a procesului din vaporizatorul utilizat n procesul de rcire a aerului n acest subcapitol s-a analizat un model de vaporizator cu evi i aripioare. Modelul este caracterizat prin existena unui numr de n evi aranjate n linie sau n eichier (grupare n ah, decalaj al aripioarelor) i aripioare din aluminiu. Geometria vaporizatorului este caracterizat de: diametrul evii, lungimea evii, grosimea evii, materialul din care este fabricat eava, distana dintre evi pe vertical, distana dintre evi pe orizontal, numrul de tuburi, materialul din care este realizat aripioara de rcire, lungimea aripioarei de rcire, nlimea aripioarei de rcire, numrul de aripioare de rcire, grosimea unei aripioare de rcire i distana dintre aripioarele de rcire. Tipurile de curgere sunt: contracurent, echicurent i curgere ncruciat. Agenii frigorifici considerai n model sunt: R404A, R410A, R407C, R152a i R507A. Parametrii introdui sunt: temperaturile de intrare i de ieire ale aerului i agentului frigorific, presiunea atmosferic, debitul masic de aer, debitul masic de agent frigorific, volumul dislocat al compresorului i geometria vaporizatorului. Parametrii rezultai sunt: sarcina frigorific, coeficientul global de transfer de cldur, numrul Reynolds, numrul Nusselt, viteza fluidului, numrul Prandtl, numrul Colburn i cderea de presiune pe partea agentului frigorific.

3.3. Modelarea matematic a procesului din vaporizatorul aferent procesului de injec ien acest subcapitol s-a analizat un model de vaporizator multitubular elicoidal. Modelul este caracterizat prin existena unui numr de n evi aranjate echidistant la interiorul mantalei, geometria vaporizatorului, tipul de curgere, agentul frigorific i agentul intermediar. Geometria i forma evii vaporizatorului este detaliat n Figura 2-5. Diferena fa de modelul de vaporizator multitubular din Figura 2-4 const n modul de curgere al fluidelor. Agentul intermediar circul prin evile interioare i agentul frigorific prin mantaua vaporizatorului. Geometria acestui tip de vaporizator este descris de aceeai parametrii geometrici ca la punctul 3.3.1. Tipurile de curgere sunt: contracurent, echicurent i ncruciat. Agenii intermediari sunt propilen-glicolul i apa. Agenii frigorifici, parametrii introdui i parametrii rezultai sunt aceiai ca la punctul 3.3.1.

12

Ing. Ion Zabet

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice

3.4. Modelarea matematic a proceselor termodinamice aferente sistemului frigorific cu compresor spiroorbital (scroll) digitalModelarea matematic [15] a proceselor termodinamice aferente sistemului frigorific cu compresor spiroorbital (scroll) digital este detaliat n cadrul tezei. Parametrii introdui n model sunt: presiunea de vaporizare i condensare (Pi; Pe), temperatura de supranclzire i subrcire (TSI; Tsub), temperatura mediului ambiant exterior (Tamb), temperatura aerului la aspiraia i refularea condensatorului (Taer;i;cd; Taer;e;cd) i vaporizatorului (Taer;i;vap; Taer;e;vap), precum i parametrii specifici ai condensatorului, compresorului i vaporizatorului. Parametrii rezultai n urma calculului efectuat de modelul matematic sunt: temperatura carcasei compresorului (Tw), temperatura agentului frigorific la refularea compresorului (Taf;e;cp), debitul masic de agent frigorific al sistemului frigorific (Qaf;cp), puterea mecanic a compresorului (Wcp), randamentul volumic al compresorului (v;cp), randamentul izentrop al compresorului (cp), raportul de comprimare al compresorului (cp), cldura cedat mediului ambiant de ctre compresor (amb;cp), pierderile de agent frigorific n compresor (Qleak;cp), coeficienii globali de transfer de cldura pentru fiecare component a sistemului frigorific (compresor (ki;cp; ke;cp), condensator (kcd) i vaporizator (kvap)), coeficientul de performan (COP), randamentul condensatorului (cd) i vaporizatorului (vap), numrul de uniti de transfer de cldur pentru vaporizator (NTUvap) i condensator (NTUcd), puterea frigorific la vaporizare (vap) i la condensare (cd), i temperatura agentului frigorific la aspiraia vaporizatorului (Taf;i;vap). Modelul matematic al sistemului frigorific cu compresor spiroorbital (scroll) digital permite determinarea performanelor i proprietilor termodinamice ntr-un mod simplu i cu un volum redus de parametrii introdui. Parametrii caracteristici fiecrui echipament din cadrul sistemului frigorific sunt prezentai n Tabel 3-1. Tabel 3-: Parametrii caracteristici sistemului frigorificVs;cp m /h 23,403

Aki;cp;n WK 25-1

Ake;cp;n WK 16-1

Akamb;cp;n WK 4,65-1

Qaf ;cp ;n

k

rv;in;vp 4,16

Tpierderi;cp 0,045

cp 0,243

di mm 9,5

de mm 4

N 1/min 2900

g s-1 0.091

mcd m3/s 1,8

mvap m3/s 1,13

Unde: mcd debitul volumic de aer la condensator (m3/s); mvap debitul masic de aer la vaporizator (m3/s)

3.5. Modelarea matematic a proceselor termodinamice aferente sistemului frigorific cu compresor spiroorbital (scroll) cu injec ie de vaporiModelarea matematic [15] a proceselor termodinamice aferente sistemului frigorific cu compresor spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori este detaliat n cadrul tezei. Parametrii introdui n model sunt: presiunea de vaporizare, presiunea de injecie, presiunea de condensare, temperatura agentului frigorific la injecie, temperatura de supranclzire la vaporizatoare i subrcire, temperatura mediului ambiant exterior, temperatura agentului intermediar la aspiraia i refularea condensatorului i vaporizatorului, precum i parametrii specifici ai condensatorului, compresorului i celor dou vaporizatoare (pentru procesele de vaporizare i injecie). Parametrii rezultai n urma calculului efectuat de modelul matematic sunt: temperatura carcasei compresorului, temperatura agentului frigorific la refularea compresorului, debitul masic de agent frigorific al sistemului frigorific, debitul masic de agent frigorific la injecie, puterea mecanic a compresorului, randamentul global al compresorului, randamentul volumic al compresorului, randamentul izentrop al compresorului, raportul de comprimare al compresorului, cldura cedat mediului ambiant de ctre compresor, pierderile de agent frigorific n compresor, coeficienii globali de transfer de cldura pentru fiecare component a sistemului frigorific (compresor, condensator i vaporizatoare), coeficientul de performan,13

Ing. Ion Zabet Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice randamentul condensatorului i a vaporizatoarelor, numrul de uniti de transfer de cldur pentru vaporizatoare i condensator, puterea frigorific la vaporizare, puterea frigorific la injecie, puterea frigorific la condensare, i temperatura agentului frigorific la aspiraia vaporizatoarelor. Modelul matematic al sistemului frigorific cu compresor spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori permite determinarea performanelor i proprietilor termodinamice ntr-un mod simplu i cu un volum de parametri introdui redus. n Tabel se prezint valorile parametrilor afereni modelului matematic al compresorului spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori. Tabel 3-2: Parametrii afereni modelului compresorului spiroorbital (scroll) cu injecie de vaporiVs;cp m /h 293

kamb;cp;n WK 80-1

& Qaf ;cp ;nkg s-1 0.091

rv;in;cp 4,21

Wpierderi;cp W 8,596

cp 0,001

rv;in1;cp 0,92

N 1/min 2900

4. CERCETRI EXPERIMENTALE4.1. Modelul experimental4.1.1. Modelul experimental 1 (ULg cu compresor spiroorbital scroll cu injec ie de vapori) Circuitul de agent frigorific este compus dintr-un vaporizator principal, vaporizator secundar (pentru procesul de injecie), compresorul spiroorbital (scroll), condensator i cinci ventile de laminare. Agentul frigorific utilizat este R407C. Agentul intermediar pentru vaporizatorul principal i cel secundar este dat de o soluie de propilen glicol cu ap la o concentraie de 50%. Circuitul intermediar este compus dintr-o pomp, un boiler electric, vas de expansiune i circuit by-pass compus din mai multe robinete de nchidere. Condensatorul este rcit cu ap de la reea.4.1.1.1. Compresorul

Compresorul funcioneaz cu ulei de tip poliester (POE) Emkarate RL 32-3MAF. Compresorul are urmtoarele caracteristici:

Cilindreea [m3/h]: Presiunea maxim [bar]: Presiunea maxim de oprire [bar]: Temperatura minim pe partea de joas presiune [C]: Temperatura maxim pe partea de joas presiune [C]:Cazanul electric

29 32 22,6 -35 50

4.1.1.2.

Acesta este compus din doi cilindri concentrici. Cilindrul intern este complet izolat i umplut cu azot n stare gazoas. Agentul secundar (soluie propilen glicol cu apa) circul de la partea inferioar ctre partea superioar ntre cilindrul intern i cel extern. Agentul secundar este nclzit cu ajutorul a zece rezistene electrice (ase cu o capacitate de 9kW i patru rezistene cu o capacitate de 4 kW fiecare). Pompa de agent secundar are un debit nominal de 40 m3/h. Cazanul electric este prevzut cu un termostat care are rolul de a menine o temperatur stabil la refulare prin oprirea i pornirea unor rezistene de nclzire.14

Ing. Ion Zabet4.1.1.3. Condensatorul

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice

Condensatorul este un schimbtor de cldura de tip multitubular i folose te ap de la reea pentru condensarea agentului frigorific. Condensatorul are ata at o pomp pentru recircularea apei atunci cnd este necesar cre terea temperaturii de condensare i a procesului de subrcire.4.1.1.4. Vaporizatorul

Vaporizatorul utilizat este un schimbtor de cldura de tip multitubular elicoidal.4.1.1.5. Ventilele de laminare

Pe vaporizatorul principal s-au montat 3 ventile de laminare de diferite dimensiuni. Pentru ambele vaporizatoare ventilele de laminare au fost montate n paralel. Pe vaporizatorul secundar s-au montat dou ventile de laminare de dimensiuni diferite pentru a putea varia debitul masic de agent frigorific injectat n compresor. 4.1.2. Modelul experimental 2 (UTCB - Bucureti cu compresor spiroorbital scroll digital) Unitatea compresor-condensator lucrnd cu R404A este destinat studiului proceselor de transfer de cldur i de mas n schimbtoare de cldur compacte de tip plci, macrocanale, mini-canale i micro-canale pentru consumatorii att din climatizarea de confort ct i consumatorii de frig la 0... 4C. Unitatea compresor-condensator este caracterizat de urmtorii parametrii: presiune de joas i nalt, temperatura la aspiraia compresorului, temperatura la refularea compresorului, temperatura de la intrarea n condensator i temperatura lichidului nainte de laminare. Echipamentele modelului experimental sunt caracterizate de urmtorii parametrii: Vaporizator 1. 4 mm spaiul dintre aripioare, puterea de rcire nominal la t0=-8C i T=8K n valoare de 4.36 kW, debitul de aer 3800 m3/h, dou ventilatoare cu diametrul de 350 mm, lungimea jetului de aer 14 m, volumul intern de agent 5.4 dm3, suprafaa de schimb de cldur de 27.6 m2; Vaporizator 2. 7 mm spaiul ntre aripioare, puterea de rcire nominal la t0=-8C i T=8K n valoare de 3.83 kW, debitul de aer 4100 m3/h, dou ventilatoare cu diametrul de 350 mm, lungimea jetului de aer de 14 m, volumul intern de agent 4.5 dm3, suprafaa de schimb de cldur de 23 m2; Ventil de laminare. Ventilul de laminare termostatic (montat pe cte un vaporizator) prezint urmtoarele caracteristici: presiune maxim de lucru 34 bar, domeniul de temperatur -40C+10C compatibil cu agenii frigorifici R404A/R507, R407C. Diametrul orificiului este de 5 mm ceea ce permite funcionarea la o diferena de temperatura de maxim 16 K i o putere frigorific maxim de 15 kW (funcie de temperatura de vaporizare); Robinet de nchidere acionat electronic. Ventil electromagnetic de tip ON/OFF. Grup compresor condensator. este un grup pentru condiii exterioare (O) cu aplicaii pentru temperaturi medii (M) cu dou compresoare spiroorbitale (scroll) (T) i cu un nivel de zgomot foarte redus (Q). Grupul este digital (D). condensatorul aferent unitii exterioare are prevzut pentru recircularea aerului dou ventilatoare, cu un diametru de 420 mm, alimentare monofazic i cu o putere de 145W/ventilator, un curent de 0.81A i o rezisten 45.9 Ohm. rezervorul de lichid are un volum de 14 litri i este prevzut cu o van de service Rotalock pentru ncrcarea cu agent frigorific R404A. conducta de lichid aferent grupului are n componen un filtru de lichid (ADK+), un vizor de lichid (AMI 1SS) i un ventil electromagnetic (200RBT5).15

Ing. Ion Zabet Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice compresorul spiroorbital (scroll) digital este prevzut din fabric cu un ventil electromagnetic de 24V n curent alternativ. controllerul EC2-552 folosete ventilul electromagnetic (pentru injectarea vaporilor de agent frigorific n al doilea compresor) n funcie de presiunea pe aspiraie.

4.2.

Aparatura de msura utilizat i procesul experimental

4.2.1. Modelul experimental 1 (ULg cu compresor spiroorbital scroll cu injec ie de vapori)4.2.1.1. Msurarea presiunilor

Presiunile care se msoar sunt: presiunea la aspiraia compresorului, presiunea la refularea compresorului, presiunea la injecia n compresor i presiunea la intrarea n vaporizator. Calibrarea senzorilor de presiune s-a realizat utiliznd ca etalon un senzor de presiune calibrat.4.2.1.2. Msurarea temperaturilor

Temperaturile sunt msurate n zonele principale pe partea agentului frigorific, pe partea agentului intermediar soluie apoas de propilenglicol [76], n camera calorimetru a compresorului i la compresor prin intermediul termocuplurilor de tip, T (cupru-constantan). Temperatura de referin 0C este stabilit de amestecul apa-gheata. Acurateea msurrilor este de 0,3K.4.2.1.3. Msurarea debitului masic i a densit ii agentului frigorific

Debitul masic de agent frigorific care circul prin vaporizatorul principal i prin condensator este msurat cu ajutorul a dou debitmetre de tip Coriolis identice. Densitatea agentului frigorific la intrarea n vaporizator i la ieirea din condensator este msurat cu ajutorul acelorai debitmetre Coriolis.4.2.1.4. Msurarea consumului electric

Consumul electric al compresorului este msurat cu ajutorul wattmetrului GOSSEN (valoarea msurat este ntre 0-3 kW, cu o eroare de 0,5%). 4.2.2. Modelul experimental 2 (UTCB - cu compresor spiroorbital scroll digital) n componena standului experimental se regsesc dou sisteme de achiziii de date: Dixell XJ500 cu softul aferent X-View i unitatea de control EC552 (aferent grupului compresor condensator) cu vizualizarea i nregistrarea datelor prin interfaa web cu ajutorul unui browser de internet. Sistemul de achiziie Dixell XJ500 este amplasat n interiorul tabloului electric de automatizare-control. Este un echipament conform standardului SR EN 12830 i achiziia parametrilor se face conform SR EN 13485. Unitatea de control EC2-552 are rolul de a controla sistemele frigorifice cu compresoare spiroorbitale (scroll) individuale sau n paralel integrate n uniti compresorcondensator. Acestea au n componen un compresor digital Copeland i convertizor de frecven la ventilatoarele de pe partea de condensare. Parametrii tehnici ai unitii de control sunt: alimentare de 24 VAC, frecvena de 50/60Hz, port de comunicare TCP/IP Ethernet 10Mbit/s, domeniul de temperatur de la -20... +65C.

16

Ing. Ion Zabet

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice

4.3.

Modul de lucru

Modelul experimental 1 (ULg - compresor spiroorbital (scroll) cu injec ie de vapori) Matricea de testare este compus din 100 puncte de testare, caracterizate prin diferite presiuni de vaporizare i condensare. Realizarea testelor s-a efectuat n dou etape: prima faz n realizarea modelului experimental a constat n setarea, instalarea, calibrarea instrumentelor de msurat, setarea sistemului de achiziie i realizarea testelor de verificare a standului experimental; a dou faz a constat n realizarea experimentelor i analizarea performanelor compresorului spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori. Modelul experimental 2 (UTCB - compresor spiroorbital (scroll) digital) Matricea de testare este compus din 300 puncte de testare, caracterizate prin diferite presiuni de vaporizare i condensare. Realizarea testelor s-a efectuat n dou etape: prima faz n realizarea modelului experimental a constat n setarea, instalarea, calibrarea instrumentelor de msurat, setarea sistemului de achiziie i realizarea testelor de verificare a standului experimental; a dou faz a constat n realizarea experimentelor i analizarea performanelor compresorului spiroorbital (scroll) digital. Noutatea modelului experimental const n introducerea unui compresor spiroorbital (scroll) digital n sistemul frigorific realizat i posibilitatea testrii compresorului n diferite condiii de funcionare n afara ecartului de temperaturi pentru care a fost construit.

4.4.

Procesarea rezultatelor

4.4.1. Model experimental 1 (ULg - compresor spiroorbital (scroll) cu injec ie de vapori) Sistemul de control al modelului experimental 1 este realizat cu ajutorul urmtoarelor reglaje: presiunea la aspiraia compresorului este ajustat prin controlul debitului masic de agent intermediar care circul prin vaporizatorul principal. Pentru acest debit masic de agent intermediar cazanul are setat o temperatur la refulare;

supranclzirea vaporilor la aspiraia compresorului este dat de ventilele de laminare poziionate la intrarea n vaporizatorul principal;

presiunea la injecia n compresor este reglat prin controlul debitului masic de agent intermediar care parcurge vaporizatorul de injecie; supranclzirea vaporilor la injecie este controlat cu ajutorul ventilelor de laminare la intrarea n vaporizatorului secundar (pentru injecie);

presiunea la procesul de condensare este controlat i setat prin reglarea debitului masic de ap care parcurge condensatorul.

Msurtorile au fost fcute la secund, mediate pe un interval de timp de 5 minute dup atingerea echilibrului termodinamic. 4.4.2. Model experimental 2 (UTCB - compresor spiroorbital (scroll) digital) Descrierea tipurilor de parametrii care se urmresc Pe partea sistemului de achiziie XJ 500 s-au msurat urmtorii parametrii: temperatura la intrarea aerului i ieirea aerului la vaporizator, temperatura agentului frigorific n interiorul vaporizatorului, temperatura ambiental, temperatura la ieirea aerului din condensator, temperatur agentului frigorific la intrarea n condensator (la refularea compresorului), temperatura agentului frigorific la ieirea din condensator. Pe partea unitii de control EC2-552 s-au msurat urmtorii parametri: presiunea la17

Ing. Ion Zabet Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice aspiraia i refularea compresorului, temperaturile la aspiraia compresorului i la procesul de condensare, capacitatea compresorului, turaia ventilatoarelor la partea de condensare. Msurtorile s-au realizat la temperaturi de vaporizare de -10C, -5C i 0C, dar i la temperaturi de condensare de +35C i +45C. Temperatura mediului ambiant a evoluat ntre +27C i +34C.

4.5.

Prezentarea i interpretarea rezultatelor experimentale

4.5.1. Model experimental 1 (ULg - compresor spiroorbital (scroll) cu injec ie de vapori)4.5.1.1.60 50

Ecua iile generale de echilibru ale vaporizatorului i condensatoruluiCu Injectie] W[ k40

Fara Injectie30 20 10 0

40 30 20 10 15

4.5.1.2. 4.5.1.3.

n continuare se prezint sub form grafic randamentul pentru cele dou cazuri analizate cu/fr injecie.1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00

] W[ kdc; f a

dc;f a

20

25

30

35

40

45

50

55

60

0

10

20

30

40

apa;cd [kW]

apa;cd [kW]

Figura 4-1: Bilanul dintre puterea frigorific a condensatorului: agentul frigorific vs agentul intermediar50 40 30 20 10 10 20 30 40 50 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 40

Cu Injectie30 20 10

Fara Inject ie

] W[ k

] W[ kpa v;i a

pa v;i a

af ;vap [kW] ]-[v; pc Randamentul volumetric

af ;vap [kW]

Figura 4-2: Bilanul dintre puterea frigorific a vaporizatorului: agentul frigorific (af;vap) vs propilen-glicol (ai;vap)Ecua ia de echilibru a calorimetrului compresorului Randamentul procesului de comprimare adiabatic i izocor al compresorului

2

3

4

5

Cu Injectie

[-]

6

7

8

9

10

1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00

]-[s; pc

Randamentul adiabatic

Fara Injectie

2

4 Cu injectie

[-]

6

8 10 Fara Injectie

18

Ing. Ion Zabet

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00

Figura 4-3: Randamentul izocor, adiabatic i izentrop n funcie de raportul de comprimare n cazul cu injecie i fr injecie 4.5.2. Modelul experimental 2 (UTCB - compresor spiroorbital (scroll) digital) Pentru determinarea performanelor i simularea sistemului frigorific de aer condiionat s-a realizat un model de calcul n EES folosind ca parametrii de intrare valorile msurate pe cale experimental.4.5.2.1. Compresor spiroorbital (scroll) digital

n acest subcapitol se descriu ecuaiile aferente procesului de comprimare aferent compresorului din modelul experimental 2.4.5.2.2. Condensator rcit cu aer

n acest subcapitol se descriu ecuaiile aferente procesului de condensare aferent condensatorului din modelul experimental 2.4.5.2.3. Vaporizator rcit cu aer

n acest subcapitol se descriu ecuaiile aferente procesului de vaporizare aferent vaporizatorului din modelul experimental 2.4.5.2.4. Coeficientul de performan al sistemului frigorific

La acest subcapitol se determin coeficientul de performan al sistemului frigorific aferent modelului experimental 2.4.5.2.5. Datele experimentale

n urma prelucrrii datelor experimentale au rezultat graficele prezentate n continuare. n Figura 4-4 se prezint variaia COP-ului n funcie de raportul de comprimare. Aa cum se observ din figura COP-ul maxim a fost de 4,7 la un raport de comprimare 2. Cele mai multe teste s-au efectuat pentru un raport de comprimare cuprins n intervalul 2,54,5. Pentru valoarea lui =4,16 randamentul izentrop al compresorului este maxim.

]-[pc

Randamentul izentrop

2

4

6

Cu Injectie

[-]

8

10

12

14

Fara Injectie

19

Ing. Ion Zabet5 4,5 4

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

] W[ k

3,5 3 2,5 2 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

]- [ P OC] W[ kve;f a

dc;f a

Figura 4-4: COP versus raportul de comprimare35 30 25 20 15 10 5 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

[-]

Q af ;cp [kg/s]

Figura 4-5: Puterea termic a condensatorului versus debitul masic de agent frigorific9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

] W[ k

pc

W

Q af ;cp [kg/s]

Figura 4-6: Puterea frigorific a vaporizatorului versus debitul masic de agent frigorific50 40 30

Q af ;cp [kg/s]

Figura 4-7: Puterea mecanic a compresorului versus debitul masic de agent frigorific0,71 0,71 0,71

]-[

0,71 0,71 0,71 0,71

] s/ 1[ N

20 10 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Figur a 4-9: Eficiena volumetric a compresorului Figura 4-8: Numrul de rotaii pe secund versus numrul de rotaii pe secund al la compresor versus debitul masic de agent compresorului frigorific n Figura 4-5 i Figura 4-6 se prezint variaia puterii termice de condensare i puterii frigorifice de vaporizare n funcie de debitul masic de agent frigorific, obinute pe cale experimental. Figura 4-7 prezint variaia puterii mecanice a compresorului n funcie de debitul masic de agent frigorific. Figura 4-8 prezint variaia debitului masic n funcie de turaia motorului aferent compresorului spiroorbital (scroll) digital. Figura 4-9 prezint variaia randamentului volumetric al compresorului n funcie de turaia motorului.Q af ;cp [kg/s]N [1/s]

4.5.3. Compararea cazului cu injec ie/fr injec ie de vapori la modelul experimental 1 n tez se prezint graficele comparative pentru setul de msurtori efectuate pentru temperatura de refulare la compresor, puterea mecanic, coeficientul de performan la rcire i nclzire, puterea frigorific la vaporizare, puterea termic de condensare, randamentul izentrop i debitul masic de agent frigorific la condensare n cele dou cazuri (cu injecie/fr injecie) ale modelului experimental 1. n urma analizrii comparative a celor dou cazuri (cu injecie i fr injecie) la modelul experimental 1 pentru un raport de comprimare de =5 a rezultat urmtorul tabel: Parametru UM Cu Injec ie Fr20

v

0

10

20

30

40

50

Ing. Ion Zabet vap cd Wcp COPracire COPincalzire Te;cp iz

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice Injec ie [-] [kW] [kW] [kW] [-] [-] [C] [kg/s] [-] 5 26 26 7 2,8 3,8 84 0,120 0,57 5 17,5 20 6,3 2 3 100 0,105 0,68

5. ANALIZA I VALIDAREA MODELELOR MATEMATICE5.1. Analiza modelelor matematice5.1.1. Analiza modelului matematic cu compresor spiroorbital (scroll) digital n urma modelrii compresorului spiroorbital (scroll) digital au rezultat ecuaii polinomiale de interpolare de calcul a performanelor acestui tip de compresor prezentate n cadrul tezei la acest paragraf. n continuare se prezint sub forma grafic doar o parte dintre acestea.9 8 7 6 5 4 3 2 0,06 0,08 0,1 0,12 Q af [k g/s] 0,14 0,16 0,18 ] W[ kpc

60 50 40 30 20 10

] C[ pc; w

Figura 5-: Variaia lucrului mecanic n funcie de debitul masic de agent frigorific la aspiraie0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 2 3 4

Figura 5-: Variaia debitului masic de agent frigorific la compresor n funcie de presiunea de vaporizare 5.1.2. Analiza modelului matematic cu compresor spiroorbital (scroll) cu injec ie de vapori n urma modelrii compresorului spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori au rezultat urmtoarele ecuaii polinomiale de calcul a performanelor acestui tip de compresor. n continuare se prezint sub forma grafic doar o parte dintre acestea.

W

Figura 5-: Variaia temperaturii carcasei compresorului spiroorbital (scroll) n funcie de temperatur ambiant

T

0 -10 20 22 24 26 28 30 32 34 36

Tamb [C]

] s/ g k [fa

Q

5

6

7

8

Pi;cp [bar]

21

Ing. Ion Zabet12000 10000

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice225 190 155 120 85 50 25 26 27 28 29 30 31 32

] W [

] W [pc

pc; b m a

8000 6000 4000 65

W

70

75

80

85

Te;cp [C]

Figura 5-: Puterea mecanic a compresorului spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori n funcie de temperatura de refulare a agentului frigorific

Fi gura 5-: Variaia schimbului de cldura al compresorului spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori cu mediul ambiant n funcie de temperatura mediului ambiant

Tamb [C]

5.1.3. Analiza modelului matematic al vaporizatorului utilizat n procesul de vaporizare5.1.3.1. Analiza modelului matematic pentru vaporizatorul multitubular elicoidal

n continuare se prezint sub forma grafic rezultatele obinute n urma modelrii vaporizatorului multitubular elicoidal.40 35 30 25 20 15 10 5 10 30 50 70 90 110

R404A R407C R410A R507A

1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0

R404A R407C R410A R507A

] K2 m W - / [ ]-[

]-[ve

e

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

Fig ura 5-: Variaia coeficientului de transfer de cldura convectiv (e) n funcie de numrul Nusselt (Nuai) pe partea agentului intermediar

Nuai [-]

NTU [-]

Figura 5-: Variaia randamentului vaporizatorului (vap) n funcie de numrul uniti de transfer de cldur (NTU)

5.1.3.2. Analiza modelului matematic pentru vaporizatorul cu evi i aripioare

n continuare se prezint o parte din rezultatele obinute n urma modelrii vaporizatorului aferent procesului de vaporizare. Rezultatele sunt prezentate sub forma grafic. Aceste rezultate sunt ecuaii polinomiale care descriu performanele acestui tip de vaporizator.0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 pav R407C R152a R507A R410A R404A 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,6 0,8 R407C

R404A

]-[pav

R125a R507A R410A1 1,2 1,4 1,6 1,8

NTU [-]

NTU [-]

Figura 5-: Model 2 Randamentul Figura 5-: Model 1 Randamentul vaporizatorului (vap) vs. Numrul de uniti de vaporizatorului (vap) vs. Numrul de uniti de transfer termic (NTU) transfer termic (NTU)22

Ing. Ion Zabet0,035 0,03 0,025 Laminar R152a R404A R507A

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice0,02

Tranzitoriu R407C R410A

0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006

Laminar

Tranzitoriu R152a R404A R407C R410A R507A

]-[ f

]-[ f]-[ j

0,02 0,015 0,01 0,005 0 500 1000

1500

2000

2500

3000

3500

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Re af [-]

Re af [-]

Figura 5-: Model 1 Coeficientul Darcy (f) Vs. Numrul Reynolds (Reaf)0,024 0,02 0,016 0,012 0,008 R152a R407C R507A 0 1000 2000 3000 Laminar Tranzitoriu R404A

Figura 5-: Model 2 Coeficientul Darcy (f) Vs. Numrul Reynolds (Reaf)0,024 0,02 0,016 Laminar Tranzitoriu R404A R410A R152a R407C R507A 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

]-[ j

R410A

0,012 0,008 0,004

Re af [-]

Figura 5-: Model 1 Numrul Colburn (j) vs. Numrul Reynolds (Reaf) specific agentului frigorific

Re af [-]

Figura 5-: Model 2 Numrul Colburn (j) vs. Numrul Reynolds (Reaf) specific agentului frigorific

5.1.4. Analiza modelului matematic al vaporizatorului utilizat n procesul de injec ie n continuare se prezint o parte din rezultatele obinute n urma modelrii vaporizatorului aferent procesului de injecie. Rezultatele sunt prezentate sub forma grafic.90 75 60 45 30 15 0 0 0,5 1 1,5 2 R404A R407C R410A R507A

0,45 0,4 0,35

] K2 m W - / [

]-[pav

0,3 0,25 0,2

2,5

0,15 0,2

R404A R407C R410A R507A 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55

e

Nuai [-]

NTU [-]

Figura 5-: Coeficientul de transfer de cldura convectiv (e) pe partea agentului intermediar n funcie de numrul Nusselt (Nuai)

Figura 5-: Randamentul vaporizatorului (vap) n funcie de numrul de uniti de transfer termic (NTU)

5.1.5. Analiza modelului matematic al sistemului frigorific cu compresor spiroorbital (scroll) digital Rezultatele obinute n urma modelrii sistemului frigorific de la subcapitolul 3.4 sunt prezentate n continuare sub forma grafic. Aceste rezultate sunt ecuaii polinomiale i corelaii specifice sistemului frigorific cu compresor spiroorbital (scroll) digital. Aceste rezultate au la baz parametrii specifici ai sistemului frigorific analizat. Prin utilizarea acestui model simplificat se pot determin ntr-un mod simplu i uor diferite polinoame criteriale de calcul. Aceste polinoame sunt valabile pentru sistemul frigorific aferent standului experimental23

Ing. Ion Zabet Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice din cadrul Complexului de Laboratoare Colentina. Acestea se pot utiliza i la alte sisteme dac se cunosc coeficienii.1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 s;cp [-] v;cp [-]8 7,4

] W[ k

6,8 6,2 5,6 5 5 10 15 20 25 30 35 40

1200 1000 800 0,4 0,5 0,6 0,7

-

0,35 0,3 0,8

[tone CO2 ]

]-[ ] K W / [dc

pc

W

N rot [1/s]

N rot [1/s]

Figura 5-: Determinarea randamentului izentrop (s;cp) i volumic (v;cp) al compresorului spiroorbital (scroll) digital n funcie de turaia motorului (Nrot) compresorului2000 1800 1600 1400 Akcd [W/K] cd [-] 0,65 0,6 0,55 0,5 0,4

Figura 5-: Determinarea lucrului mecanic (Wcp) al compresorului n funcie de turaia motorului (Nrot) compresorului

120,000

TEWI109,047

100,000

0,45

]-[dc

80,000

92,256

kA

60,000

85,854

40,000

NTUcd [-]

Figura 5-: Compararea factorului TEWI pentru cei trei ageni frigorifici analizai n acest studiu 5.1.6. Analiza modelului matematic al sistemului frigorific cu compresor spiroorbital (scroll) cu injec ie de vapori Rezultatele obinute n urma modelrii sistemului frigorific de la subcapitolul 3.5 sunt prezentate n continuare sub forma grafic pentru ecuaiile polinomiale i corelaiile specifice sistemului frigorific cu compresor spiroorbital (scroll) cu injecie de vapori.16 14 12 vap [kW]0,8 0,7 0,6

Figura 5-: Determinarea coeficientului global de transfer de cldura (kcd) i a randamentului condensatorului (cd) n funcie de numrul de transfer de uniti termic

20,000 R404A R407A R22 0

] W[ kpc

10 8 6 4 2 inj [kW]

]-[

Wcp [kW]

0,5 0,4 0,3 0,2 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

dc

W ,

0 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26

INJR=Qinj / Qt;cp [-]

NTUcd [-]

Figura 5-: Influena raportului de injecie asupra puterii frigorifice a vaporizatorului i injectorului, a lucrului mecanic i a coeficientului de performan aferent24

Figura 5-: Variaia randamentului condensatorului n funcie de numrul de uniti de transfer termic

Ing. Ion Zabet Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice sistemului modelat0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

0,7 0,6 0,5

]-[pav

]-[jn i

0,4 0,3 0,2 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

NTUvap [-]

NTUinj [-]

Figura 5-: Variaia randamentului vaporizatorului n funcie de numrul de uniti de transfer termic

Figura 5-: Variaia randamentului vaporizatorului pentru injecie n funcie de numrul de uniti de transfer termic

5.2. Validarea modelelor matematice5.2.1. Validarea modelului matematic aferent procesului de comprimare pentru compresorul spiroorbital (scroll) digital Validarea modelului s-a realizat corespunztor cu ajutorul datelor obinute experimental. 5.2.2. Validarea modelului matematic aferent procesului de comprimare pentru compresorul spiroorbital (scroll) cu injec ie de vapori Modelul matematic a fost validat corespunztor cu ajutorul datelor obinute pe cale experimental. 5.2.3. Validarea modelului matematic aferent procesului de vaporizare pentru vaporizatorul multitubular elicoidal Modelul matematic a fost validat corespunztor cu ajutorul datelor obinute pe cale experimental. n urma validrii modelului au rezultat urmtoarele abateri: 6% (se recomand mbuntirea valorii n cercetrile viitoare) ntre debitul masic de agent intermediar calculat i cel obinut experimental; 3% ntre debitul masic de agent frigorific calculat i cel obinut experimental; de 2% ntre puterea frigorific a vaporizatorului calculat i cea obinuta experimental i 1% ntre temperatura agentului frigorific calculat la ieirea din vaporizator i cea obinuta experimental. 5.2.4. Validarea modelului matematic aferent procesului de vaporizare pentru vaporizatorul cu evi cu aripioare Validarea modelului a fost realizat prin compararea a dou tipuri diferite de vaporizatoare. n urma validrii modelului au rezultat urmtoarele abateri: Modelul 1: 4% ntre debitul masic de agent frigorific calculat i debitul masic de agent frigorific obinut experimental i 3% ntre puterea frigorific a vaporizatorului calculat i cea obinut experimental. Modelul 2: 5% pentru debitul masic al agentului frigorific i 4% pentru sarcina termic a vaporizatorului25

Ing. Ion Zabet 6.

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice

CONCLUZII GENERALE I CONTRIBU II PERSONALEConcluzii generale

6.1.

Criza energetic major care afecteaz n prezent economia mondial i nclzirea global, impun creterea performanelor energetice i ecologice ale echipamentelor i sistemelor frigorifice i de aer condiionat. n acest sens, utilizarea compresoarelor spiroorbitale (scroll) cu injec ie de vapori i compresoarelor spiroorbitale (scroll) standard (digital denumire dat de productor) i a agen ilor frigorifici ecologici deschid aria unor multiple aplicaii n domeniul energetic i al ingineriei mecanice. Teza a fost realizat n cadrul Universitii Tehnice de Construcii Bucureti, Facultatea de Ingineria Instalaiilor, Catedra de Termotehnic, sub ndrumarea doamnei Prof. Dr. Ing. Graiela Maria rlea. De asemenea, autorul a beneficiat de un stagiu de cercetare la Universitatea din Liege, Laboratorul de Termodinamic Aplicat, sub ndrumarea domnului Prof. Dr. Ing. Vincent Lemort. Lucrarea intitulat Contribu ii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice este axat pe cercetarea sistemelor frigorifice, punnd accent pe modelarea matematic i experimental a compresoarelor spiroorbitale (scroll) cu injecie de vapori i compresoarelor spiroorbitale (scroll) digitale. Cele dou sisteme studiate sunt: sistemul frigorific cu comprimare mecanic de vapori ntr-o treapt, cu compresoare spiroorbitale (scroll)- digital i standard, folosind agentul frigorific R404A; sistemul frigorific cu comprimare mecanic de vapori ntr-o treapt, cu compresor spiroorbital (scroll) cu/fr injecie folosind agentul frigorific R407C. Primul sistem a fost construit la Universitatea Tehnic de Construcii Bucureti Complexul de Laboratoare Colentina. Al doilea sistem a fost realizat la Universitatea din Liege Departamentul de Termodinamic Aplicat. Principalele probleme abordate i rezolvate n cadrul acestei teze sunt: analiza numeric a indicatorilor de performan a compresoarelor spiroorbitale (scroll) cu injecie de vapori i digitale, a vaporizatoarelor cu evi cu aripioare i a vaporizatoarelor de tip multitubular elicoidale; realizarea a dou standuri experimentale n vederea analizrii performanelor sistemelor frigorifice; stabilirea ecuaiilor polinomiale specifice echipamentelor studiate. n aceast tez, se combin sinteza unui material bibliografic de actualitate cu rezultatele propriilor studii teoretice i experimentale desfurate n cadrul unui program de cercetare complex. Din studiul bibliografic efectuat, rezult c direciile de cercetare n domeniul precizat sunt orientate spre eficientizarea proceselor de injecie de vapori i lichid, a transferului de cldura din echipamente i reducerea consumului de energie primar i a suprafeei de schimb de cldura a vaporizatoarelor funcionnd cu diveri ageni frigorifici. n cadrul tezei sunt descrise i analizate modelele i relaiile de calcul utilizate la definirea performanelor sistemelor frigorifice. Modelarea matematic, efectuat cu ajutorul programului EES (Equation Engineering Solver), a fost realizat pentru dou tipuri de compresoare spiroorbitale (scroll) (cu injecie de vapori i digitale), pentru trei tipuri de vaporizatoare (dou de tip multitubular elicoidal i unul cu evi cu aripioare) i pentru dou tipuri de sisteme frigorifice. Modelele aferente procesului de vaporizare i injecie permit optimizarea vaporizatoarelor pentru funcionarea cu diferii ageni frigorifici (Capitolul 3). Modelele sistemelor frigorifice pot prognostica cu o abatere de maxim 4% performanele celor dou sisteme cu comprimare de vapori ntr-o treapt (Capitolul 3). Modelele aferente compresoarelor spiroorbitale (scroll) pot prognostica cu o abatere26

Ing. Ion Zabet Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice relativ de 1% debitul masic de agent frigorific, temperatura de refulare a compresorului i lucrul mecanic. Concluziile studiului numeric au fost pentru: a) Modelul matematic pentru vaporizatorul de tip multitubular elicoidal utilizat la vaporizarea agentului frigorific Validarea modelului matematic s-a realizat n subcapitolul 5.2.3. n urma validrii modelului matematic au rezultat urmtoarele concluzii: abaterea dintre debitul masic de agent frigorific calculat i debitul masic de agent frigorific obinut experimental este de aproximativ 3%; abaterea dintre temperatura agentului frigorific calculat la ieirea din vaporizator i cea obinuta experimental este de aproximativ 1%; S-a realizat modelarea comparativ din punct de vedere ecologic pentru patru ageni frigorifici. n urma analizei modelri matematice au rezultat urmtoarele concluzii: polinoamele de interpolare rezultate pentru coeficientul de transfer de cldura convectiv n funcie de numrul Nusselt, aferent agentului intermediar, utilizate la modelarea vaporizatorului sunt valabile pentru modelul analizat, pentru agentul intermediar (propilen glicol de concentraie de 50%) i pentru agenii frigorifici modelai; randamentul vaporizatorului (calculat conform SR EN 305:2000) crete odat cu numrul de uniti de transfer de cldur. Ecuaiile logaritmice rezultate sunt valabile numai pentru tipul de vaporizator analizat i pentru cei patru ageni frigorifici. Vaporizatorul analizat are cel mai ridicat randament pentru agentul frigorific R407C i cel mai sczut pentru agentul frigorific R410A; titlul de vapori variaz invers proporional cu parametrului Lockhart-Martinelli (Xtt). b) Modelul matematic pentru vaporizatorul utilizat la procesul de rcire al aerului Validarea modelului matematic s-a realizat n subcapitolul 5.2.4. n urma validrii modelului matematic au rezultat urmtoarele concluzii: validarea modelului matematic s-a realizat cu ajutorul datelor experimentale pentru dou tipuri de vaporizatoare cu evi cu aripioare; diferena dintre debitul masic de agent frigorific calculat i cel msurat a fost de aproximativ 4%; abaterea relativ dintre puterea frigorific msurat i calculat pentru agentul frigorific R404A (Modelul 1) a fost de 3%; n cazul agentului frigorific R410A (Modelul 2) vaporizatorul a avut urmtoarele erori n modelul matematic: pentru debitul masic de agent frigorific 5% i pentru puterea frigorific a vaporizatorului 4%. Conform rezultatelor obinute n subcapitolul 5.1.3.2. la modelarea celor dou tipuri de vaporizatoare au rezultat urmtoarele concluzii: modelul permite crearea de diagrame cu curbe caracteristice pentru randament i NTU (pentru tipul de vaporizator analizat); n urma simulrilor cu programul EES s-au determinat variaia criteriului Colburn in funcie de criteriul Reynolds pentru diverse regimuri de curgere; c) Sistemul frigorific cu compresor spiroorbital (scroll) digital Modelul matematic de la subcapitolul 3.4 poate fi utilizat la orice sistem frigorific ntro treapt de comprimare dac se identific parametrii sistemului. Prin utilizarea acestui model simplificat se pot determin diferite polinoame de interpolare (randamentul izentrop, randamentul volumic, coeficientul global de transfer de cldura, lucrul mecanic, puterea frigorific etc.) destinate calculului performanelor sistemului frigorific. n urma modelrii sistemului frigorific la subcapitolul 5.1.5. au rezultat urmtoarele: puterea mecanic a compresorului crete odat cu turaia motorului; puterea termic a condensatorului pe partea aerului crete odat cu turaia ventilatorului utilizat la circularea aerului prin condensator; coeficientul global de transfer de cldura i randamentul condensatorului din cadrul27

Ing. Ion Zabet Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice sistemului frigorific au o evoluie ascendent, odat cu creterea numrului de uniti de transfer termic. d) Sistemul frigorific cu compresor spiroorbital (scroll) cu injec ie de vapori Modelul matematic de la subcapitolul 3.5 poate fi utilizat la orice sistem frigorific ntro treapt de comprimare dac s-au identificat parametrii sistemului. n urma modelrii performanelor sistemului frigorific de la subcapitolul 5.1.6 au rezultat polinoame criteriale (randamentul izentrop, randamentul volumic, coeficientul global de transfer de cldura, lucrul mecanic, puterea frigorific etc.) pentru determinarea performanelor sistemului frigorific. n urma analizrii rezultatelor se pot afirma urmtoarele: raportul de injecie al debitelor masice de agent frigorific injectat i teoretic crete n acelai timp cu puterile frigorifice la vaporizare i injecie i cu puterea mecanic a compresorului; odat cu creterea raportului de injecie cresc i debitele masice aferente proceselor de condensare, vaporizare i injecie.

6.2.

Contribu ii personale

Validarea modelelor matematice s-a realizat corespunztor, cu ajutorul datelor obinute experimental. Pentru fiecare tip de echipament analizat s-au stabilit polinoame de interpolare care permit calculul unor parametrii i coeficieni afereni regimurilor de curgere la vaporizatoarele i compresoarele spiroorbitale (scroll) analizate. Cercetrile experimentale proprii au fost efectuate n laboratoare de specialitate din Liege-Belgia, Laboratorul de Termodinamic Aplicat din cadrul Universitii din Liege (Ulg) i la Bucureti-Romania , la Complexul de Laboratoare Colentina din cadrul Universitii Tehnice de Construcii Bucureti (UTCB). n cadrul tezei de doctorat au fost aduse urmtoarele contribu ii personale: determinarea performanelor termodinamice ale sistemelor analizate funcionnd n regim de sistem frigorific n cazul compresoarelor spiroorbitale (scroll) cu injecie de vapori (Capitolul 5 ecua iile de la 5.7... 5.10); dezvoltarea unui domeniu nou de cercetare n cadrul UTCB Facultatea de Inginerie a Instalaiilor a studiului compresoarelor spiroorbitale (scroll) digitale i cu injecie de vapori, precum i influena acestora asupra performanelor de lucru ale sistemului frigorific analizat (Capitolul 4 modelul experimental 2); determinarea de ecuaii polinomiale de interpolare pentru echipamentele aferente celor dou modele experimentale analizate (Capitolul 5 ecua iile 5.11... 5.49); realizarea i mbuntirea standurilor experimentale, precum i realizarea de cercetri experimentale n cadrul UTCB i Ulg (Capitolul 4 subcapitolul 4.1... 4.5); generalizarea modelului matematic pentru diverse tipuri de compresoare spiroorbitale (scroll) prin mbuntirea modelului matematic dezvoltat n cadrul universitii din Liege (Capitolul 3 subcapitolul 3.1); mbuntirea modelului matematic prin alegerea unei noi zone de injecie cu vapori n compresor (Capitolul 3 subcapitolul 3.1.2); dezvoltarea diagramelor de calcul aferente echipamentelor componente dintr-un sistem frigorific n scopul determinrii parametrilor n diverse condiii de funcionare ale sistemelor frigorifice modelate experimental (Capitolul 5); studiul influenei procesului de injecie asupra debitului masic de agent frigorific la aspiraia compresorului. Pe parcursul elaborrii tezei de doctorat i a studiului n domeniu, rezultatele cercetrilor i modelrilor au fost valorificate prin: publicarea a 17 articole n reviste de specialitate i n volumele unor manifestri tiinifice din ar i din strintate; comunicarea a 4 lucrrii tiinifice n cadrul unor conferine naionale i internaionale.28

Ing. Ion Zabet Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice Teza Contribu ii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice se remarc prin faptul ca reprezint o cercetarea aplicativ cu rezultate directe n domeniul sistemelor frigorifice. Ca o concluzie general se poate sublinia faptul ca rezultatele cercetrilor efectuate precum i modelele realizate pot aduce mbuntiri n domeniul studiului eco-eficientizrii sistemelor frigorifice.

6.3.

Probleme de perspectiv

Cercetrile efectuate i concluziile rezultate deschid perspectiva unor noi direc ii de studiu n domeniul optimizrii sistemelor frigorifice n procesul de injecie cu vapori la compresoarele spiroorbitale (scroll) cum ar fi: simplificarea modelelor de calcul care s conin un numr ct mai redus de parametri i ecuaii; continuarea studiului n noul domeniu de cercetare deschis, n cadrul UTCB, cu aplicaii n domeniul pompelor de cldura; analizarea performanelor sistemelor frigorifice i de aer condiionat funcionnd cu compresoare spiroorbitale (scroll) pentru diveri ageni frigorifici ecologici (cu ODP zero i GWP redus). Bibliografie[1] G. Haselden, Refrigerant screw compression with liquid refrigerant injection, U.S. Patent, 1976. [2] I. Kamimura, N. Sawada, K. Satou i T. Masuda, Mixed refrigerant injection method, U.S. Patent, 1999. [3] Y. Cho i C. Bai, Refrigeration system with liquid refrigerant injection to the condenser, U.S. Patent, 2003. [4] M. Fujita i Y. Amo, Refrigerating apparatus, U.S.Patent, 2003. [5] J. Bush, M. Daniels, T. Katra, A. Lifson, R. Lin, P. Marks, W. Rousseau, T. Wagner i D. Yannascoli, Liquid injection for reduced discharge pressure pulsation in compressor, U.S. Patent, 2004. [6] K. Ignatiev i J. Caillat, Injection system and method for refrigeration system compressor, U.S. Patent, 2008. [7] E. Winandy i J. Lebrun, Scroll compressors using gas and liquid injection: experimental analysis and modeling, Int. J. of. Refrigeration 25, pp. 1143- 1156, 2002. [8] A. Ilie, STAND EXPERIMENTAL PENTRU STUDIUL SI CERCETAREA PROCESELOR TERMO HIDRAULICE SI A ECHIPAMENTELOR DIN SISTEMELE FRIGORIFICE, DE AER CONDITIONAT SI POMPE DE CALDURA, 2008. [Interactiv]. Available: http://instalatii.utcb.ro/site/proiectecoordonare/ProiectAnicaILie/rezultate3.pdf. [Accesat 05 Septembrie 2011]. [9] F. Chiriac, A.-M. Bianchi, C. Mihaila i V. Cartas, Termotehnic : transfer de cldur, Bucuresti: Institutul de Constructii, 1988. [10] ASHRAE, Fundamentals, ASHRAE, 2009. [11] M. Balan, Pompe de caldura si instalatii frigorifice, 1 Octombrie 2003. [Interactiv]. Available: http://www.termo.utcluj.ro/pcif/. [Accesat 10 Martie 2011]. [12] F. Chiriac, M. G. Tarlea, R. Gavriliuc, A. Ilie i R. Dumitrescu, Masini si Instalatii Frigorifice, Bucuresti: AGIR, 2006. [13] ASHRAE, HVAC Equipments Handbook, ASHRAE, 2008. [14] AIIR, Manualul de Instalatii - Instalatii de Ventilare si Climatizare, Bucuresti: Artecno, 2002. [15] S.A. Klein, Engineering Equation Solver (EES), fChart, 2011. [16] I. Zabet, Studiu experimental al unui sistem eco-eficient cu compresoare digitale, 2010. [17] I. Zabet, Procese termodinamice in echipamentele frigorifice, 2010. [18] I. Zabet, Modelarea numerica a schimbatoarelor de cadura pentru diversi agenti frigorifici, 29

Ing. Ion Zabet

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice

2011. [19] I. Zabet i T. Gratiela Maria, Modelarea matematica a unui schimbator de caldura functionand cu diferiti agenti frigorifici, n Conferinta Stiinta Moderna si Energia: Producerea, Transportul si Utilizarea Energiei, Cluj, 2011. [20] I. Zabet, G. M. Tarlea i M. Vinceriuc, Aplicatie de soft pentru un sistem modulat de compresoare scroll, n Producerea, Transportul si Utilizarea Energiei, Editia XXIX 20-21Mai 2010, Cluj-Napoca, 2010. [21] I. Zabet i G. M. Tarlea, Theoretical study regarding fin and tube heat exchangers types working with: R152a, R404A, R407C, R410A and R507A, n Building Services and Ambiental Comfort, Timisoara -Universitatea Politehinca, 2011. [22] M. Vinceriuc i I. Zabet, Ammonia as a very Eco-Efficient alternative refrigerant, n Technical University of Civil Engineering Bucharest, Papers presentation - ASHRAE DANUBE CHAPTER MEETING, Conference Programme - Installations for construction and environmental confort, Editia XIX, 15-16 aprilie 2010, Timisoara, 2010. [23] G. M. Tarlea , M. Vinceriuc, I. Zabet i A. Tarlea, Theoretical study regarding the ecological alternatives for R404A refrigerant, Praga, 2011. [24] G. M. Tarlea i I. Zabet, Refrigerants plants and computer graphics, n Indagra 2005, Bucuresti, 2005. [25] G. M. Tarlea i I. Zabet, Hydrocarbons consumptions at international levels ecologically refrigerants plants, n Indagra 2004, Bucuresti, 2004 . [26] G. M. Tarlea i I. Zabet, Constructions plant and computer graphics, n XIIS International conferences of Comfort, efficiency, conserving energy and environment protection November 2425th 2005 TUCEB, Bucuresti, 2005. [27] G. M. Tarlea i I. Zabet, Applications of CO2 as an ecological refrigerant, n Geert Doornbos article published in scientific journal at TUCEB Nr: 2 2006, Bucuresti, 2006. [28] G. M. Tarlea i I. Zabet, Utilizarea energiilor noi, regenerabile, in sistemele de instalatii aferente constructiilor, Frigo-Clima NR:10-11, V/2008 newspaper, pp. 14-15, 2008. [29] G. M. Tarlea i I. Zabet, Utilizarea aplicatiilor de modelare numerica 3D si 2D in instalatii pentru constructii si ingineria mediului, n Instalatii pentru constructii si confortul ambiental, Edition 18; 2-3 April 2009, Timisoara, 2009. [30] G. M. Tarlea i I. Zabet, Transfer de caldura si de masa in schimbatoare de caldura cu microcanale, Journal TUCEB Nr: 3 2009, pp. 5-12, 2009. [31] G. M. Tarlea, I. Zabet i M. Vinceriuc, Sustainable hybrid energy solar-water used for environmental pollution laboratory retrofit, n Conference CLIMA 2010 Sustainable Energy Use in Buildings Edition 10th, REHVA World Congress 9-12 May 2010, Antalya, Turkey, 2010. [32] G. M. Tarlea, I. Zabet i D. Timar, Studiul privind utilizarea compresoarelor tip scroll in sistemele frigorifice, n Instalatii pentru inceputul mileniului trei; Edition 44, 14-16 Octomber 2009, Sinaia, 2009. [33] G. M. Tarlea i I. Zabet, Simulari Teoretice Privind Sisteme Frigorifice Modulate cu Compresoare Scroll, n Confort, eficienta, conservarea energiei si protectia mediului,editia a XVIa, 18 19 martie 2010, Bucuresti, 2010. [34] G. M. Tarlea i I. Zabet, Implementarea legislatiei internationale a frigului si aerului conditionat in Romania Amoniacul ca o alternativa eficienta a agentilor frigorifici ecologici, n Stiinta moderna si energia, Editia 28; 20-21 May 2009, Cluj, 2009. [35] G. M. Tarlea, M. Vinceriuc, I. Zabet i A. Tarlea, Ecological alternative for R404A refrigerant, n The 41st HVAC&R congress KGH 2010 : Heating, Refrigerating and Air-Conditioning 3-5 December 2010, Belgrad, Serbia, 2010. [36] G. M. Tarlea, I. Zabet, M. Vinceriuc i E. Dragoescu, Computer assisted graphical applications in the area of building services, n article published in scientific journal at TUCEB Nr: 2 2007, Bucuresti, 2007. [37] G. M. Tarlea, M. Vinceriuc i I. Zabet, Amoniacul ca alternativa Eco-Eficienta de agent frigorific 30

Ing. Ion Zabet

Contribuii la studiul eco-eficientizrii sistemelor frigorifice

[38]

[39] [40] [41] [42] [43]

[44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52]

[53]

[54] [55]

[56] [57] [58] [59] [60]

romanesc, n Technical University of Civil Engineering, Bucharest (TUCEB) Conferinta Nationala cu titlul Auditor Energetic, Efectul de sera si Cladirile Verzi 27 May 2010, Bucuresti, 2010. G. M. Tarlea, M. Vinceriuc i I. Zabet, Ammonia as a very Eco-Efficient Romanian refrigerant, n Technical University of Civil Engineering, Bucharest (TUCEB) publicat in Buletinul Institutului Politehnic din Iasi, Tomul LVI(LX) Fasc.3a,Sectia Constructii de Masini, 5-7 May COFRET 2010, Iasi, 2010. E. Winandy, Contribution to the performance analysis of reciprocating and scroll refrigeration compressors, Chile: University of Concepcin, 1999. I. Zabet, Raport de stagiu in Laboratorul de Termodinamica Aplicata ULg, Liege, 2011. I. Zabet, Raport de masurari experimentale in Complexul de Laboratoare Colentina UTCB, Bucuresti, 2010. V. Gnielinski, Heat Transfer in Helically Coiled Tubes, vol. VDI Heat Atlas, S. H. D. L. N. York, Ed., Karlsruhe: Karlsruher Institut fuer Technologie (KIT), 2010. G. M. Tarlea, M. Vinceriuc i I. Zabet, Ammonia as a very eco-efficient alternative refrigerant, n Instalatii pentru constructii si confortul ambiental, Edition 19, 15-16 April 2010, Timisoara, 2010. D. Timar i V. Gota, De ce se folosesc compresoare scroll in aplicatiile de frig industrial si comercial?, Frigo-Clima, nr. 10-11, pp. 8-11, V 2008. C. C. Barraza, Contribution to the modelling of refrigeration systems, Liege, Belgium: ULg, 2006. F. Incropera i D. DeWitt, Fundamentals of heat and mass transfer 3rd edition, New York: John Wiley & Sons, 1990. Cavallini, Condensation inside and outside smooth and enhanced tubes - a review of recent research, International Journal of Refrigeration, pp. 373-392, 2003. J. Chen, Correlation for boiling heat tra