Ciclo frigorifero a compressione di vapore saturo: Abbiamo dimostrato che, a parità di temperature “estreme”, la macchina di Carnot, utilizzata nel ciclo inverso (sia come pompa di calore sia come frigorifero), è quella che offre il miglior COP rispetto a tutte le altre macchine politermiche reversibili usate in ciclo inverso.

T1

T2

Q2

L

Q1

T1

S

T2 C

Lavoro speso

Frigorie prodotte

T

Seguendo gli stessi ragionamenti fatti per le macchine termiche, possiamo individuare nella difficoltà di eseguire le trasformazioni isoterme e nella modesta quantità di calore che è possibile scambiare nelle trasformazioni che utilizzano un gas, i motivi per i quali è conveniente realizzare un ciclo isobaro-adiabatico (ciclo Joule inverso) all’interno della campana dei vapori saturi.

L2 L1

Q1

Q2

Espansore Compressore Raffreddatore

Riscaldatore Consideriamo un ciclo di Joule inverso che utilizza un gas come fluido di lavoro ed è realizzato per mezzo di due scambiatori di calore: uno lavorante a bassa temperatura (raffreddatore) ed uno lavorante a temperatura più elevata (riscaldatore) e di due organi meccanici (l’espansore ed il compressore).

1

3

4

2 TCond

Lavoro speso

Frigorie prodotte x4 x1

PEvap

PCond

TEvap

E’ possibile pensare di realizzare un ciclo isobaro-adiabatico come quello Joule, all’interno della campana dei vapori saturi di un fluido qualsiasi. Sul diagramma T,S è possibile vedere come il ciclo Joule inverso si trasformi in un ciclo di Carnot inverso. Il raffreddatore diviene ora l’organo in cui si ha il passaggio di stato liquido-vapore (evaporatore) con sottrazione di calore al fluido che si vuole raffreddare o all’ambiente, il riscaldatore diviene l’organo in cui il fluido torna allo stato liquido (condensatore) cedendo calore al fluido che si vuole riscaldare o all’ambiente. Nello schema le dimensioni del cilindretto espansore sono più piccole rispetto a quelle del compressore, per ricordare appunto che il primo lavora con un liquido (piccolo volume specifico) mentre il secondo lavora con un vapore, e per di più a bassa pressione.

L2 L1

Q1

Q2

Espansore Compressore Evaporatore

Condensatore

1

Valgono ovviamente le stesse considerazioni fatte per i cicli diretti all’interno della campana dei vapori saturi, pertanto il punto (1) di inizio compressione non può essere nel vapore umido col titolo x1. La prima modifica consiste allora nel mandare al compressore vapore saturo secco, cosa che si può ottenere spingendo l’evaporazione fino alla linea x=1 oppure, come si fa in pratica, interponendo un separatore di liquido.

1

3

4

2

TCond

TEvap

PEvap

PCond

Tsurrisc

Lavoro speso

5 Frigorie prodotte x5

In uscita dal compressore adiabatico (1-2) si avrà vapore surriscaldato e sarà necessario modificare il condensatore per tenere conto del tratto (2-3) in cui si avrà il desurriscaldamento del fluido. Segue quindi il tratto di condensazione (3-4). Un’altra modifica riguarda l’eliminazione del cilindretto espansore il cui compito è quello di portare il fluido di lavoro dalla pressione del condensatore a quella dell’evaporatore con l’espansione adiabatica (4-5). In quest’organo si raggiunge anche la temperatura più bassa del ciclo. Lavorando con un vapore che alla fine dell’espansione, è umido, il cilindretto espansore ha difficoltà a realizzare una trasformazione adiabatica e l’eventuale recupero del modestissimo lavoro fornito non giustifica le complicazioni meccaniche della macchina connessi al funzionamento delle valvole, delle tenute ed i problemi di lubrificazione che intervengono alle temperature più basse.

Evaporatore Q2

Valvola di laminazione L1

Compressore

Condensatore Desurriscaldatore Q1 Si ricorre quindi ad una valvola di strozzamento che adempie alla stessa funzione del cilindretto espansore senza avere però parti in movimento. Il prezzo da pagare per questa notevole semplificazione meccanica della macchina è rappresentato dalla perdita di frigorie dovute alla sostituzione della originale trasformazione adiabatica (4-5) con quella irreversibile (4-5’) che, essendo un processo di laminazione, si svolge ad Entalpia costante. Nel diagramma (T,S) è evidente che le frigorie che erano prodotte prima della modifica, individuate dall’area sottesa dalla trasformazione isoterma (5-1), si riducono a quelle relative all’aerea sottesa dalla trasformazione (5’-1). Per potere recuperare, almeno in parte, queste frigorie è necessario ricorrere ad un’ulteriore modifica che coinvolge ancora una volta il condensatore.

1

3

4

2

TCond

TEvap

PEvap

PCond

x5

Frigorie prodotte

Lavoro speso 5’

Frigorie perdute

Tsurrisc

5

2

Surraffreddatore Desurriscaldatore Q1

Evaporatore Q2

Valvola di laminazione

Condensatore

L1

Compressore

Infatti, prolungando nelle ultime sezioni del condensatore il processo di raffreddamento del liquido, questo passa da liquido saturo a liquido “surraffreddato” mediante la trasformazione isobara (4-5). Partendo da un punto 5 a temperatura più bassa, la laminazione (5-6) consente il recupero di buona parte delle frigorie che altrimenti sarebbero andate perdute.

1

3

4

2

TCond

TEvap

PEvap

PCond

x6 Frigorie prodotte

Lavoro speso 5 Tsurraff

Tsurrisc

6

E’ evidente però che sottoraffreddare il liquido fino al punto 5 presuppone la disponibilità di un fluido di raffreddamento del condensatore avente temperatura pari o inferiore a Tsurraff . In alternativa è possibile utilizzare il fluido in uscita dalla valvola di strozzamento per raffreddare, in un altro piccolo scambiatore di calore, il liquido saturo in uscita dal condensatore. Lo schema completo di un frigorifero a compressione di vapore saturo è mostrato nelle figure seguenti.

Val

vola

di

lam

inaz

ione

Condensatore

Evaporatore

Q1

L1

Compressore

Surraffreddatore

La circolazione nell’evaporatore avviene grazie alla differenza di peso specifico tra la colonna liquidadiscendente e la colonna bifase ascendente.

Schema di impianto frigorifero con separatore di vapore e serbatoio di liquido.

Vapore + liquido

Liquido + vapore

Vapore saturo

Liquido saturo

Liquido + vapore

Liquido saturo Liquido

sottoraffreddato

Vapore surriscaldato

Q2

3

Liquido sottoraffreddato

Val

vola

di

lam

inaz

ione

Condensatore

Evaporatore

Q1

L1

Compressore

Surraffreddatore

Schema di impianto frigorifero con serbatoio di liquido.

Liquido + vapore

Vapore + liquido

Vapore saturo

Serb

atoi

o

di li

quid

o

Liquido + vapore

Liquido saturo

Vapore surriscaldato

Q2

Il compressore Il compressore dei piccoli frigoriferi industriali o dei frigoriferi domestici è generalmente del tipo alternativo a pistone (uno o due) condotto da un motore elettrico. Oggi si vanno affermando sempre di più i modelli rotativi (scroll) più silenziosi ed esenti da vibrazioni. Il raffreddamento del motore è affidato allo stesso fluido frigorigeno che viene aspirato dal cilindro direttamente all’interno del contenitore ermetico.

4

Il compressore è senza dubbio la parte più complessa e delicata di tutta la macchina frigorifera, sia dal punto di vista meccanico che elettrico.

Ingresso Freon Bassa Pressione Bassa Temperatura

Lato aspirazione

Flusso del Freon

Motore : Rotore

Statore

Albero

Biella

Pistone

Zona di Compressione

Valvole

Uscita Freon Alta Pressione Alta Temperatura

Resistenza scaldante (opzionale)

olio

La realizzazione del compressore ermetico ha consentito la grande diffusione dei frigoriferi per uso domestico, dei congelatori e dei condizionatori. L’industria del freddo è riuscita infatti a progettare e produrre un componente capace di svolgere il suo lavoro in modo continuativo per un tempo superiore a dieci anni (che si stima essere la vita media di questi tipi di elettrodomestici) che non avesse bisogno di alcun intervento di manutenzione straordinaria o programmata, operazioni che - in caso di installazioni in luoghi remoti - potrebbero essere difficili e costose. L’integrazione del compressore vero e proprio con il motore elettrico in un unico involucro ermetico risolve insieme tutti i problemi di raffreddamento, lubrificazione e difesa dalla polvere e dagli agenti esterni. Il compressore ermetico viene sigillato in fabbrica con una carica di partenza di fluido refrigerante e una provvista di lubrificante destinate a durare per tutta la vita del componente, il contenitore stagno stabilizza le qualità del lubrificante così che esso non possa ossidarsi, né inquinarsi, né disperdersi nell’ambiente. Il motore elettrico, posto al riparo dalla polvere, viene attraversato dal fluido refrigerante durante la fase di aspirazione ed è pertanto continuamente mantenuto nelle condizioni ottimali di temperatura, potendo così di risparmiare sul dimensionamento degli avvolgimenti rispetto a un motore di pari potenza che dovesse lavorare all’esterno.

5

Il frigorifero domestico

C

onde

nsat

ore

Evaporatore

Compressore

Capillare di laminazione Serbatoio

di liquido

Inte

rno

Est

erno

Termostato

Porte del frigo (1 e 5) Termostato (2) Manopola del termostato (3) Scomparto a bassa temperatura (4) Griglia per l'aria di raffreddamento del condensatore (6) Primo evaporatore (7 ) a temperatura < 0°C Condensatore (8) Secondo evaporatore (9) a temperatura > 0°C Elemento sensibile del termostato (10) a contatto con l'evaporatore Capillare di laminazione (11) Gocciolatoio (11 e 12), convoglia l’acqua di condensa all'esterno del frigorifero, sopra il compressore caldo che la fa evaporare. Compressore (13)

Il frigorifero domestico non ha alcun tipo di controllo diretto sul ciclo termodinamico ma soltanto un controllo di tipo ON/OFF sul funzionamento del compressore in base alla temperatura raggiunta dalla piastra dell’evaporatore.

6

Il frigorifero industriale A differenza del frigorifero domestico, i frigoriferi industriali si servono della temperatura in uscita dall’evaporatore per attuare una regolazione basata sulla portata del fluido frigorigeno. Supponendo che il compressore lavori a potenza costante ed in regime stazionario, è evidente che un aumento del carico (p.es. l’introduzione di una massa calda da raffreddare all’interno del frigorifero) provoca, oltre all’evaporazione completa del fluido di lavoro, anche il suo surriscaldamento. Al contrario, una riduzione del carico, ha come effetto una insufficiente quantità di liquido evaporato ed un fluido troppo umido in uscita.

Condensatore Evaporatore Compressore

Serbatoio di liquido

Valvola termostatica

Per riportare la macchina nelle condizioni ottimali di lavoro (titolo in uscita x = 1) è necessario nel primo caso aumentare la quantità di fluido circolante, nel secondo ridurla. La regolazione della portata del fluido di lavoro può farsi manualmente mediante un rubinetto inserito appositamente nel circuito, oppure automaticamente, utilizzando un sistema semplice ed ingegnoso che controlla la luce di strozzamento della valvola di laminazione.

La valvola termostatica

7

all’evaporatore

dal condensatore

Psat = f (Tevap)

Il bulbo contiene una piccola quantità di liquido in equilibrio con il suo vapore. Come è noto, basta una piccolissima quantità in peso di liquido per ottenere un valore elevato del titolo della miscela nel volume (pressoché costante) formato dal bulbo, dal capillare e dallo spazio superiore del diaframma. Se supponiamo che il titolo sia intorno a 0,5 è evidente che le limitate escursioni della temperatura durante il normale funzionamento del frigorifero manterranno sempre il fluido in condizioni di saturazione. Posto il bulbo in contatto termico con la tubazione di uscita dell’evaporatore, potremo affermare che nella parte superiore del diaframma regna una pressione che è funzione della temperatura della sezione di uscita dell’evaporatore.

L’aumento del carico frigorifero ha, come si è detto, l’effetto di surriscaldare il fluido di lavoro portandolo dal punto 1 di funzionamento normale al punto 1’; l’aumento di temperatura provoca un aumento della forza che agisce sulla parte superiore del diaframma, forza che non è bilanciata da quella che agisce nella parte sottostante e che è legata alla pressione dell’evaporatore. Pertanto la punteria di regolazione si abbassa, allargando la luce di passaggio del fluido e provocando l’aumento della portata del fluido frigorigeno. Viene quindi così contrastato l’aumento del carico. E’ evidente però che in queste condizioni non è possibile contrastare la diminuzione del carico, perché essa non provoca alcuna variazione di temperatura e quindi nessuna variazione di pressione nella parte superiore della valvola. Nella pratica allora si fornisce un certo grado di surriscaldamento iniziale (6 ÷7 °C) al punto di funzionamento stabile, consentendogli così un margine di regolazione nei due sensi. Per fare sì che la valvola “creda” di essere sempre nel punto a x = 1 si elimina la sovrapressione legata al surriscaldamento iniziale agendo, mediante la vite di regolazione, sulla molla di contrasto.

8

Il Diagramma LogP-J Il funzionamento delle macchine frigorifere viene di solito descritto utilizzando un diagramma di stato che riporta in ordinate il Logaritmo decimale della Pressione ed in ascissa l’Entalpia.

Questo diagramma risulta essere particolarmente utile perché, a differenza di altri diagrammi, in esso possono essere rappresentate con chiarezza tutte le trasformazioni del ciclo frigorifero.

Vap

. sat

.

Liq

. sat

.

P e T cost.

T =

cos

t

T =

cos

t

S = cost. T crit.

Abbiamo visto infatti che, p.es. nella rappresentazione del ciclo Rankine sui diagrammi P-V, LogP-V e T-S, alcune trasformazioni (e precisamente il riscaldamento del liquido in caldaia nel P-V ed il lavoro della pompa nel T-S) risultano praticamente invisibili. Nella figura è riportato il diagramma LogP-J dell’acqua. Si noti l’andamento delle linee isoterme, che risultano parallele alle linee isoentalpiche dove il calore specifico cP è costante, come avviene a sinistra nella regione del liquido e a destra nella regione dove il fluido può essere considerato gas perfetto. Utilizzando il diagramma LogP-J di un fluido qualsiasi, è possibile evidenziare tutte le trasformazioni principali di un ciclo frigorifero.

Val

vola

di

Lam

inaz

ione

Evaporatore

Com

pres

sore

Margine per la valvola termostatica

Condensatore

E’ evidente come l’inclinazione della linea isoentropica influenzi la quantità di lavoro da fornire nel compressore attraverso la temperatura raggiunta alla fine della compressione. In figura sono mostrate le trasformazioni a pressione costante che hanno luogo nel compressore: - il desurriscaldamento, - la consensazione - il surraffreddamento Si ha quindi la laminazione con produzione di liquido saturo con tracce di vapore. Segue, sempre a pressione costante, la produzione di frigorie nell’evaporatore.

E’ mostrato infine il piccolo tratto di surriscaldamento necessario al funzionamento della valvola termostatica.

9

Le pompe di calore

Le figure mostrano gli schemi di funzionamento una macchina invertibile aria-acqua (Delchi PSH 037) usata come frigorifero, (in ciclo di raffreddamento) e come pompa di calore (in ciclo di riscaldamento). E’ evidente che, come si è fatto notare in precedenza, si tratta sempre della stessa macchina in cui si sono semplicemente invertite le funzioni dei due scambiatori di calore.

Eva

pora

tore

C

onde

nsat

ore

Pompa di calore in ciclo di riscaldamento

Pompa di calore in ciclo di raffreddamento

C

onde

nsat

ore

E

vapo

rato

re

L’unico organo che non è possibile far funzionare all’inverso è la valvola termostatica sia per ciò che riguarda la direzione di passaggio del fluido sia per la posizione del sensore di temperatura di riferimento. Per questo motivo nella macchina sono montate due valvole termostatiche in direzioni opposte, opportunamente by-passate da valvole di ritegno. Nelle tabelle sono riportati gli andamenti della resa della macchina in funzionamento estivo ed in funzionamento invernale. Le caselle campite in verde nelle due tabelle si riferiscono alla macchina che lavora nelle stesse condizioni.

10

Si ha infatti : COPH = COPR + 1 ; 3,57 ≅ 2,6 + 1

Si ricordi: 1 kWatt = 860,42 Cal/h

MAX

COP

2,5

2,6

2,7

2,8

2,9

3,0

1,7

COP

1,7

1,8

2,7

1,8

1,6

1,9 2,6 2,3 2,2 2,0

MIN

Resa in raffreddamento (frigorifero)

Nel computo dei COP non sono considerate le potenze necessarie alla movimentazione dei fluidi di lavoro

Resa in riscaldamento (pompa di calore)

MIN

MAX

11

Le pompe di calore invertibili più moderne adottano alcune soluzioni tecniche innovative per migliorare il COP e diminuire il rumore e le vibrazioni prodotte dal compressore. Tra queste soluzioni ricordiamo:

- l’adozione del compressore rotativo (scroll) al posto di quello alternativo a pistoni, - l’uso di un sistema elettronico (inverter) per controllare con continuità la velocità di

rotazione del compressore attraverso la variazione della frequenza della tensione di alimentazione del motore.

L’adozione dell’inverter permette quindi di modulare la potenza della macchina riducendola gradualmente quanto più ci si avvicina alle condizioni termoigrometriche desiderate. L’adozione di un controllo di tipo proporzionale consente di evitare o ridurre al minimo i cicli di ON/OFF della macchina, favorendo un più rapido raggiungimento del set-point desiderato ed un più preciso mantenimento della temperatura impostata.

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Anche se i costi dell’energia sono fortemente variabili ed ogni valutazione di convenienza economica ha una attualità limitata nel tempo, si può tuttavia cercare di fornire delle indicazioni qualitative di larga massima sulla convenienza di una forma di riscaldamento rispetto ad un’altra in base a criteri del tutto generali.

Nella figura sono riportati gli andamenti qualitativi dei costi unitari di produzione dell’energia termica per riscaldamento mediante l’uso diretto dell’energia elettrica, l’uso di una caldaia a gas e l’uso di una pompa di calore. Per ciò che concerne il riscaldamento elettrico, è del tutto ovvio che l’efficienza della conversione diretta dell’energia elettrica in calore non è legata in alcun modo della temperatura esterna ed il rendimento di conversione è sempre del 100%. Diversa è la situazione della caldaia tradizionale a gas o a gasolio, infatti il rendimento di conversione nel bruciatore non è unitario, perché parte del calore prodotto in caldaia viene perduto nel calore sensibile dei fumi ed anche il rendimento complessivo dell’impianto è legato alla temperatura esterna perché all’aumentare di questa il funzionamento della caldaia diventa intermittente con peggioramento delle caratteristiche dell’impianto e diminuzione della vita utile. Al contrario, il COP della pompa di calore tende a migliorare con l’aumentare della temperatura esterna. Per ciascuna situazione climatica vi sarà pertanto un punto di equilibrio che individua la convenienza economica di un tipo di impianto rispetto ad un altro. Ulteriori parametri da prendere in considerazione nella scelta di un impianto di riscaldamento sono legati ai costi di acquisto e manutenzione ai tempi di utilizzo ed alla conduzione dell’impianto da parte dell’utente.

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