GENERALITÀ

I cicli inversi presiedono alla tecnica del freddo (refrigerazione, impianti frigoriferi)

Permettono di raggiungere temperature inferiori a quelle dell’ambiente naturale, per mezzo di macchine cicliche alimentate da lavoro meccanico.

I campi della tecnica della freddo e le corrispondenti temperature operative sono:

CONDIZIONAMENTO T = 3 5 °C

REFRIGERAZIONE INDUSTRIALE T = 0 - 5 °C

CONGELAZIONE T = - 5 - 10 °C

SURGELAZIONE T = - 20 - 30 °C

APPLICAZIONI CRIOGENICHE T = -100 - 270°C

La loro importanza è vitale per l’umanità, sia per il miglioramento della qualità della vita (climatizzazione, deumidificazione, condizionamento dell’aria) che della conservazione degli alimenti (refrigerazione alimentare, celle e magazzini frigoriferi).

Notevoli sono stati i progressi scientifici connessi con il raggiungimento delle basse temperature (Superconduttività, supercalcolatori a giunzione Josephson in bagno di N liquido, etc.) .

CICLI TERMICI INVERSICICLO INVERSO DI CARNOT

I processi del ciclo inverso sono :Evaporazione (tratto 2-3)Compressione (tratto 3-4)Condensazione (tratto 4-1)Espansione (tratto 1-2)

Efficienza del Ciclo inverso di Carnot

ev ev ev

c ev c ev

Q Q TL Q Q T T

Irrealizzabilità tecnica del Ciclo inverso di Carnot.•L’espansione (1-2) in zona bifase è tecnicamente irrealizzabile con le attuali tecnologie. Si preferisce realizzare la depressurizzazione del vapore con una laminazione (passaggio isentalpicodel fluido attraverso una sezione ristretta), rinunziando al recupero del lavoro di espansione.

•La compressione (3-4) in zona bifase è anch’essa tecnicamente irrealizzabile. Si preferisce estendere l’evaporazione fino alla curva limite superiore (c.l.s.) onde comprimere vapore surriscaldato. :

il lavoro ottenibile con l’espansione è poca cosa rispetto a quello necessario per la compressione

Cicli Inversi

Ciclo frigorifero a semplice compressione

di vapore (temp evap - 20 - 25)

1-2: Laminazione: processo irreversibile in cui il fluido si espande adiabaticametnedalla pressione p1a p0 abbassando la temperatura da T1 a T0

2-3: Evaporatore: il fluido frigorigeno evapora alla temperatura T0 e pressione p0costanti assorbendo dall’esterno calore Q0. L’evaporazione si effettua fino ad ottenere vapore saturo secco

Q0=h3-h2 è l’effetto frigorifero [frig/Kg] = [kcal/kg]

3-4:Compressore: Il fluido frigorigeno ècompresso isoentropicamente dalla pressione p0 a p1 con spesa di lavoro esterno

L34=h4-h3

Durante la compressione il fluido si surriscalda ed all’uscita dal compressore raggiunge un valore di temperatura piùelevato della temperatura di saturazione alla pressione p1

4-1 condensatore: il fluido condensa a temperatura T1 e pressione p1 costanti cedendo all’esterno calore Q1=h4-h1

Si usa il piano pressione-entalpia

Il coefficiente di effetto utile

Potenza frigorigena

Potenza di compressione

0 3 2

34 4 3

Q h hL h h

0 0q m Q

34P m L

Coefficiente meccanico

Portata volumetrica aspirata dal compressore

Dove con v3 volume specifico del fluido a fine evaporazione (pto 3)

01 860

frigq hP KW

0

2

qV

02

3

Qv

Permette di determinare la Potenza Teorica del Compressore in kW nota la potenza frigorifera!!!

EFFETTO DELLE IRREVERSIBILITÀ SUL CICLO INVERSO

•La temperatura di condensazione Tc del fluido frigorigeno dovrà essere sensibilmente più elevata della temperatura ambiente Ta per rendere possibile lo scambio termico •La temperatura di evaporazione Te dovrà essere sensibilmente più bassa della temperatura T0 del sistema refrigerato per rendere possibile lo scambio termico•La compressione è adiabatica non-isentropica.

Delle irreversibilità alla compressione si tiene conto con il rendimento isentropico di compressione:

4' 3

4 3

( ) idealeis K

reale

L h hL h h

per cui :

4' 34 3

( )( )( )is K

m h hP m h h

Ciclo frigorifero a doppia compressione e doppia laminazione (Temp. evap- 50 - 60).

1-2 Laminazione fino alla pressione pi intermedia del separatore liquido vapore

3-4 Laminazione fino alla pressione pe

4-5 evaporatore:si produce effetto frigorigeno Q0=h5-h4

5-6 compressione: il vapore si viene compresso fino alla pressione pi

6-7 separatore: il vapore si desurriscalda a spese di una frazione di liquido che evapora nel separatore

7-8 compressione: il vapore saturo viene compresso fino a pressione pc

Vantaggi

Notevole diminuzione della Temperatura di fine compressione a causa del desurriscaldamento 6-7 operato a spese del liquido vaporizzato in 2-7

riduzione area delciclo sul piano T-s

La doppia laminazione evita l’espansione finoA 2’

Possibilità di raggiungere temperature particolarmente basse (-60°C), limitando il lavoro di compressione

Evitare temperature di fine compressione eccessivamente elevate ( infatti per T > 120°C i lubrificanti perdono di efficacia e le parti rotanti del compressore andrebbero soggetti ad aggrippamento).

il desurriscaldamento del vapore da 6 a 7 avviene con una evaporazione supplementare nel separatore di liquido

per ogni unità di portata inmassa che circola nella parteAP (Alta Pressione) circola una quantità minore di fluido in BP (Bassa Pressione)

6 2 3 7

6 3

7 2

e c e c

c

e

m h m h m h m hm h hm h h

5 40

8 7 6 5

e

c e

m h hqP m h h m h h

Effettuando un bilancio al separatore Effetto utile

5 40

6 38 7 6 5

7 2

h hqh hP h h h hh h

Cicli in cascata

si usano per superare le limitazionidei cicli bistadio

ogni fluido lavoraalle temperaturepiù congeniali

dal punto di vista termodinamicopresentano lo svantaggio di unΔt finito tra evaporatore di AT e condensatore di BT

FLUIDI FRIGORIGENI E PROBLEMI AMBIENTALI

L’OZONO E L’EFFETTO SERRA

A seguito di operazioni di manutenzione sugli impianti e/o di dismissione degli stessi, i freon vengono rilasciati in atmosfera.

Indagini scientifiche (Rowland e Molina 1978) fanno ipotizzare che i CFC in quanto contenenti la molecola di Cl siano responsabili della distruzione dello strato di Ozono (gas atmosferico capace di schermare la radiazione terrestre dall’azione nociva dei raggi ultravioletti).

Tale effetto è misurato dall’ indice ODP (Ozone Depletion Potential), definito in rapporto all’azione distruttiva dell’ozono da parte del refrigerante R11 (ODP=1). I freon sono peraltro anche in parte responsabili dell’effetto serra, a sua volta misurato dall’indice GWP (Global Warming Potential), definito in relazione al GWP della CO2 (GWP=1).

Categoria Sigla identificativa ODP (R11=1) GWP (CO2 =1) Vita media(°) (anni)

ClofluorocarburiCFC

R 11R 12R 13

111

4000850011700

50100600

Idroclorofluorocarb.HCFC

R 22R 123

0.050.02

170093

131.4

IdrofluorocarburiHFC

R 23R 32R 125

R 134 aR 143 aR 152 a

000000

11700650280013003800140

05.633

15.6481.8

Miscele azeotropiche R 410 a 0 1890 0

Misc. azeotr. (glide) R 407 c 0 1610 0

Ammoniaca R 717 0 0 0

Anidride carbonica R 744 0 1 100

La produzione industriale dei freon, con il protocollo di Montreal del 1989 è stata quindi proibita progressivamente fino a totale cessazione e, nello stesso tempo, sono state promosse ricerche mirate alla formulazione di fluidi frigorigeni alternativi.

L’industria chimica è così giunta a sintetizzare nuovi fluidi che in genere risultano più favorevoli dal punto di vista ambientale ma spesso meno adatti dei freon per l’uso nelle macchine frigorifere attuali.

L’efficienza energetica di queste ultime ne esce penalizzata e di conseguenza i consumi elettrici, con relativa sovrapproduzione di CO2 nelle centrali termoelettriche.

L’indice che misura l’impatto ambientale da CO2, tenendo conto dell’effetto diretto (dovuto al fluido utilizzato, quando rilasciato in ambiente) e indiretto (dovuto al consumo di elettricità in quanto accompagnata da produzione di CO2 ) è il TEWI (Total Equivalent Warming Impact):

2coTEWI m GWP e

m = massa di fluido rilasciata in atmosfera per perdite dalla macchina o per manutenzione e a fine vita CO2 = massa di CO2 emessa per unità di en. elettrica prodotta (dipende dalle tecnologie utilizzate, dal mix dei combustibili etc.) = vita tecnica dell'impianto e = energia elettrica mediamente consumata nell’unità di tempo.

Tossicità Acuta:esposizione per periodi brevi a consistenti quantità di refrigerante

Tossicità Cronica:esposizione per periodi prolungati a quantità molto basse esposizione

il rischio tossicologico di unrefrigerante viene quantificatonei LIMITI DI ESPOSIZIONE

massime concentrazioni in volume e in aria ritenute NON PERICOLOSE

MACCHINE FRIGORIFERE AD ASSORBIMENTO

Mentre nella Macchina a Compressione (MC) il fluido di lavoro è un fluido monocomponente (freon , ammoniaca, etc.) nella Macchina ad Assorbimento (MA) è un fluido bicomponente, ossia un miscuglio formato da due fluidi diversi di cui uno molto più volatile dell’altro (per es. NH3+H2O ), ovvero un fluido e un sale (per es. H2O+ LiBr).

Mentre nella MC l’energia fornita è lavoro (en. meccanica o elettrica), nella MA è calore a T 90 °C.

Tale calore può essere ottenuto da comuni processi di combustione (caldaie), può essere calore di scarto (cascame termico) o prodotto da fonte solare (collettori solari di tecnologia idonea: per es. collettori a concentrazione o semiconcentrazione etc.; non collettori solari piani di tipo comune).

Lo schema impiantistico e il ciclo termico nel piano (p, T) sono mostrati nelle figure seguenti (x=concentrazione del componente più volatile).

Il gruppo di componenti a destra della linea verticale tratteggiata gioca il ruolo che nella macchine a compressione aveva il compressore.

Nella Macchina frigorifera ad assorbimento operano due fluidi anche in miscela:

-Fluido friogrigeno a più alta tensione di vapore (soluto) NH3 o H2O

-Fluido frigorigeno a tensione di vapore più bassa H2O o LiBr

7-1 generatore: è alimentato da miscela H2O – NH3 ricca di ammoniaca. Fornendo potenza termica qg(120°C) si libera il componente più volatile della soluzione cioè la NH3

1-2 Condensatore-: NH3 condensa cedendo calore all’esterno qc

2-3 Laminazione: si abbassa la pressione da pc a p0

3-4 Evaporatore.NH3 vaporizza isobaricamente e produce effetto frigorigeno q0

Assorbitore: all’assorbitore giunge NH3 proveniente dall’evaporatore e la soluzione proveniente dal generatore povera in NH3. Si ha la dissoluzione dell’ NH3 nella soluzione con processo esotermico e produzione di calore qa

5-6 pompa: la soluzione ricca di NH3 viene inviata al generatore

La macchina ad assorbimento può essere riguardata come una macchina termica che evolve tra tre serbatoi termodinamici (ambiente da refrigerare, ambiente naturale, sorgente termica) e riceve una fornitura di lavoro esterno P << Qg :

L’efficienza è definita come: 0 0

g g

Q QQ P Q

Concentrazione del vapore : v

misc

mm

Per esplicitare l’efficienza si scrivano sulla macchina i seguenti bilanci :

Bilancio energetico : 0 g a cQ Q Q Q

Bilancio entropico :

0

0

0 g c a

g c

dQdSTQQ Q Q

T T T

Combinando le due precedenti espressioni si ottiene: 0

0

1 1

1 1c g g

g

c

T T QQQ

T T

L’efficienza ideale si calcola imponendo = 0 . Allora :

0

1 1

1 1c g

i

c

T T

T T

Ad es., per Tc = 40°C=313 K; T0 = 7°C= 280 K ; Tg = 110°C=383 K , risulta : i = 1.55.

L’efficienza reale di queste macchine è attualmente 0.70.8

RAPPORTO DI ENERGIA PRIMARIAL’efficienza di una macchina frigorifera ad assorbimento non è direttamente confrontabile con quella di una macchina a compressione perché le rispettive definizioni non sono coerenti. La prima infatti è definita in rapporto all’energia termica, l’altra in rapporto all’energia meccanica o elettrica fornita alla macchina. Al fine di omogeneizzare il confronto, conviene assumere come riferimento per ambedue l’Energia Primaria (energia da fonte fossile), ossia il combustibile che si consuma per alimentare le macchine. E’ opportuno quindi utilizzare come indice di efficienza termodinamica il Rapporto di Energia Primaria (REP) definito come:

uEREPEP

dove Eu è l’energia resa all’utenza nelle forme desiderate (termica, elettrica, frigorifera)

EP è l’energia primaria spesa

In questo caso il confronto va fatto a parità di energia frigorifera prodotta , quindi Eu = Q0 =Q.Assunti come dati di riferimento:

CTE = 0.37 Rendimento della centrale termoelettrica (valore ENEL)

C = 0.9 Rendimento del generatore di calore a servizio della macchina adassorbimento

MC = 2.5 Efficienza della macchina a compressioneMA_1st = 0.8 Efficienza della macchina monostadio ad assorbimento

2.5 0.37 0.92/MC MC CTE

el CTE

Q QREPEP P

macchina a compressione

_1 _1 0.8 0.9 0.72/MA st MA st C

g C

Q QREPEP Q

macchina ad assorbim. monostadio

POMPE DI CALORELa pompa di calore evolve secondo un ciclo inverso.

E’ solo la posizione dell’utente che cambia rispetto al caso della macchina frigorifera.

L’utente è ora dal lato del condensatore.

E’ equivalente ad una pompa idraulica. Questa serve a vincere il dislivello geodetico tra due serbatoi, quella a trasportare il calore da un ambiente a temp. più bassa (l’ambiente naturale) ad uno a temperatura più alta (il fluido o l’ambiente da riscaldare).

La pompa di calore può quindi riguardarsi come una macchina per la produzione del calore.

Le sorgenti termiche delle PdC sono : aria, acqua, terreno.

Si parla allora di PdC “aria-aria”, “aria-acqua”, “acqua-aria”, “acqua-acqua”, “terreno-aria” , “terreno-acqua” ( il primo termine è sempre quello della sorgente)

La sua efficienza è misurata dal COP (Coefficient Of Performance)

Le PdC attuali, quando operano in “condizioni nominali” presentano un

COP 3 4

0 1COP

1 1

22 1

1

1

1

Q QQL Q QQ

2 1 1Q L QCOPL L

Funzionamento da macchina frigorifera

Funzionamento da POMPA DI CALORE

POMPE DI CALORE “REVERSIBILI” (O BIVALENTI)

È possibile invertire il ciclo termico grazie alla scatola di inversione.

Questa reindirizza il fluido proveniente dal compressore verso lo scambiatore che deve fungere da condensatore.

Azionando tale valvola si commuta il funzionamento stagionale (estivo/invernale) della macchina senza alterare la posizione degli scambiatori di calore:ne vengono infatti solo scambiati i ruoli.

FATTORI DI PENALIZZAZIONE DELLE PDC

La prestazione di una PdC che usa l’aria naturale come sorgente termica dipende sensibilmente dalle condizioni operative e climatiche.

In particolare essa dipende :

dalla temperatura esterna (sono penalizzate le località più fredde)

dall’umidità relativa ( per problemi di brinamento dell’evaporatore = formazione di ghiaccio sulla batteria esterna, che manda in con blocco la macchina).

Per sciogliere lo strato di ghiaccio si rimedia o attivando una batteria di resistenze elettriche o conl’inversione del ciclo. In ogni caso si determinano extra-costi e interruzioni del servizio.

Parzializzazioni (funzionamento a carico ridotto)