Preliminarii - principii termodinamice

PRELIMINARII - PRINCIPII TERMODINAMICE

• Intr-un lichid, atomii si moleculele sunt dispuse mult mai aproape unele de celelalte, in structuri mult mai stabile, prin comparatie cu un gaz. Pentru a schimba lichidul in gaz, deci pentru realizarea fenomenului de vaporizare (evaporare), este nevoie de energie pentru a infrange rezistenta datorata fortelor care tin atomii si moleculele lichidului in structura de fluid. Aceasta energie, sub forma de caldura, este extrasa din volumul din jurul oricarui lichid atunci cand se petrece ceea ce numim evaporare, astfel aparand efectul de racire din timpul acestei transformari. Asadar, evaporarea unui lichid raceste volumul invecinat zonei in care se produce fenomenul. Frigiderele folosesc aceasta proprietate, adica absorb caldura din compartimentul cu alimente prin evaporarea lichidului refrigerent.

• Punctul de vaporizare al unui lichid creste odata cu presiunea la care acesta se gaseste. Aceasta inseamna ca multe substante care la temperatura camerei sunt gaze, pot fi transformate in lichide prin comprimare. La scoaterea de sub presiune, lichidul revine foarte repede la starea gazoasa prin evaporare, fenomen insotit de consecintele termice anterior mentionate. Frigiderele utilizeaza pentru racire ceea ce se numeste un agent frigorific - o substanta cu temperatura de vaporizare (fierbere) scazuta, putand deci sa absoarba caldura la temperaturi mai mici decat ale mediului ambiant. Frigiderele mai noi folosesc drept agent de racire propanul, preferat freonului folosit mai demult, deoarece s-a dovedit ca acesta din urma are un efect distructiv asupra stratului de ozon care ne protejeaza de efectele nocive ale radiatiilor ultraviolete.

• Prin comprimarea sau marirea volumului unui gaz, acestuia i se poate ridica, respectiv cobori temperatura.

• Caldura circula intr-o singura directie, de la cald la rece.

COMPUNEREA FRIGIDERULUI

Asa cum se poate vedea in imaginea de mai jos, o vedere laterala, in componenta unui frigider intra urmatoarele (temperaturile sunt aproximative):

• un compresor electric care actioneaza asupra agentului frigorific. Este actionat electric si transfera frigiderului energie sub forma de lucru mecanic, in schimbul energiei electrice utilizate;
• o retea de conducte de lichefiere montate in exterior pe partea din spate a frigiderului, vopsite de obicei in negru ti care fac parte dintr-un subansamblu denumit condensator;
• un circuit interior de racire, format din canale (tevi) interioare prin care curge agentul frigorific, circuit denumit uneori si vaporizator;
• o valva de expansiune.
• lichidul de racire, denumit si agent frigorific sau agent refrigerent, despre care am vorbit anterior.

 INTERIORUL FRIGIDERULUI

Frigiderul este echipat asadar cu o retea etansa de tevi si conducte dintre care primele sunt dispuse in interiorul sau (circuitul de racire),  iar celelalte in exterior, pe peretele posterior (condensatorul).  Prin acest sistem continuu de tevi si conducte curge agentul frigorific. In functie de locatia sa in cadrul retelei de tevi la un moment dat, refrigerentul este fie in stare lichida, fie in stare gazoasa.

La momentul surprins in fotografia de dedesubt, cand circula prin circuitul de racire, lichidul de racire se afla in stare gazoasa, la temperaturi scazute. Atunci cand aerul incalzit de alimentele proaspat introduce in frigider ia contact cu tevile reci, se produce un transfer de caldura dinspre alimente spre gazul refrigerent, rezultand o racire a compartimentului pentru depozitarea alimentelor, respectiv incalzirea refrigerentului, care curge spre compresor.

 COMPRESORUL SI CONDENSATORUL

Agentul frigorific trece acum printr-un proces in urma caruia este extrasa caldura pe care acesta a absorbit-o din alimentele depozitate in frigider, revenind astfel la o temperatura scazuta. Ce se intampla de fapt in aceasta etapa?

La inceput compresorul presurizeaza gazul, proces care il incalzeste asemenea felului in care o pompa de bicicleta se incalzeste in timpul umflarii unei roti. Acum un gaz foarte fierbinte, agentul frigorific traverseaza reteaua de conducte de lichefiere a condensatorului, care se gaseste, dupa cum am  mentionat anterior, in exteriorul frigiderului, in partea din spate a acestuia. Pe masura ce traverseaza conductele de lichefiere, gazul elibereaza caldura acumulata, motiv pentru care aerul este cald in spatiul din spatele frigiderului. De-a lungul retelei de conducte, agentul se raceste suficient pentru a trece prin condensare in forma lichida. Practic are loc un proces de lichefiere, care este intotdeauna insotit de cedare de caldura (vezi figura de mai jos).

VALVA DE EXPANSIUNE

Lichidul, inca destul de cald si sub presiune, trece prin valva de expansiune si se transforma intr-un amestec  lichido-gazos aflat la o presiune mai mica , ceea ce duce la vaporizarea si racirea sa considerabila, in cadrul unui proces asemanator cu ceea ce simtim cand folosim spray-ul unui deodorant. La iesirea din valva de expansiune, agentul este un amestec suficient de rece pentru a fi capabil sa inghete hrana din congelatorul frigiderului d-voastra. Dar la momentul cand revine in reteaua de tevi din interiorul frigiderului, ajunge la o temperatura optima pentru racire si care nu mai produce si inghetarea alimentelor. Ciclul reincepe apoi cu agentul frigorific absorbind caldura alimentelor de-abia introduse in frigider, permitand astfel pastrarea lor pentru perioade mai lungi de timp decat ar fi posibil la temperatura camerei.

O PERSPECTIVA TERMODINAMICA

Asa cum am descris anterior, efectul de racire se obtine in cazul frigiderului printr-un ciclu de condensari si vaporizari ale unui compus chimic, freon sau propan. Etapele acestui ciclu de refrigerare, explicate dintr-o perspectiva termodinamica in cele ce urmeaza, sunt numerotate in figura urmatoare de la 1 la 6 (in cadrul figurii punctele albastre simbolizeaza ca agentul frigorific este in stare gazoasa, iar zonele complet albastre semnifica faptul ca agentul este in stare lichida la acele momente. De remarcat si zonele de tranzitie intre lichid si gaz, unde avem de-a face cu un amestec intre cele doua):

1. In exteriorul containerului frigiderului, compresorul electric efectueaza lucru mecanic asupra gazului frigorific, marindu-i presiunea, ceea ce, conform principiilor termodinamicii, ii creste si temperatura.
2. In continuare, acest gaz la presiune mare si temperatura ridicata patrunde in conductele de lichefiere ale condensatorului din spatele frigiderului.
3. Caldura (q) circula dinspre gazul aflat la o temperatura ridicata spre zona de temperatura mai scazuta din jurul condensatorului. Aceasta pierdere de caldura face ca gazul aflat la presiune mare sa condenseze intr-un lichid (miscarea moleculelor de gaz ale agentului de racire este incetinita in momentul pierderii de caldura, ceea ce permite formarea legaturilor intre moleculele substantei specifice starii de agregare lichide). Astfel, lucrul mecanic efectuat asupra gazului de catre compresor este urmat de o transformare de stare de agregare a agentului frigorific in cadrul unei reactii cu cedare de caldura, caldura cedata aerului din mediul imediat apropiat condensatorului. Daca ati atins vreodata tevile din spatele frigiderului ati simtit caldura eliberata la condensarea agentului de racire.
4. Apoi, lichidul de racire trece printr-o valva de expansiune intrand in circuitul de racire din interiorul frigiderului. In aceste momente lichidul este la presiune scazuta datorita expansiunii si are o temperatura inferioara celei a mediului in care se afla (aerul din frigider).
5. Caldura se transfera  dinspre zonele cu temperatura mai mare (unde sunt depozitate alimentele) spre circuitul de racire, reducand temperatura din frigider. Energia absorbita sub forma de caldura invinge fortele de atractiile dintre moleculele lichidului de racire, favorizand vaporizarea acestuia.
6. Cand tot lichidul de racire a vaporizat, ciclul poate reincepe.

Ciclul acesta nu continua la infinit, ci este controlat de un termostat. Atunci cand temperatura din interiorul frigiderului creste peste valoarea setata, termostatul porneste compresorul. In momentul in care interiorul frigiderului a fost adus sub temperatura de racire dorita, compresorul este oprit. Acest mecanism de control permite economisirea energiei electrice.