LA GENERAZIONE DEL FREDDO DAENERGIA TERMICA

Incontro tecnico AICARRCon la collaborazione di:

Sonnenkraft e Systema spa

Costante M. Invernizzicostante.invernizzi@unibs.it

Brescia, 12 dicembre 2008

Outline

1 I limiti termodinamici

2 Le macchine utilizzabili

3 I cicli frigoriferi ad assorbimento

4 L’uso della energia termica di origine solare

5 I collettori solari: piani ed a concentrazione

I limiti termodinamiciLo schema concettuale di riferimento

L’efficienza, ε,rapporto fraeffetto l’utile el’energia (o lapotenza) spesa edefinita come:

ε = qFw+qC

Esempio: i frigoriferi a compressione

Schema semplificato di una macchinafrigorifera a compressione, [1]

• la potenza utilizzataper il funzionamentodella macchina epotenza meccanica(elettrica), w

• l’evaporazione di unfluido (il fluidorefrigerante) producel’effetto frigorifero qF

• il fluido refrigerantecede all’ambiente (atemperaturasuperiore) la potenzafrigorifera e lapotenza meccanica:qC = w + qF

I limiti termodinamiciL’uso di energia termica: lo schema ideale di riferimento

Se

1 l’ambiente si trova allatemperatura T0

2 l’energia necessaria alfunzionamento della macchinafrigorifera e energia termica qC ,disponibile alla temperatura TC

3 l’utenza frigorifera e allatemperatura TF

ε = qFqC

= TC−T0TC

× TFT0−TF

I limiti termodinamiciCalore sensibile: lo schema di riferimento

Se

1 l’ambiente si trova allatemperatura T0

2 la potenza necessaria alfunzionamento della macchinafrigorifera e potenza termica qC ,disponibile fra la temperatura TC ,a

e la temperatura TC ,b

3 la potenza frigorifera qF va fornitaad una utenza a temperaturavariabile fra TF ,a e TF ,b

ε = qFqC

=mC×Cp,C(TC ,a−TC ,b)mF×Cp,F(TF ,a−TF ,b)

I limiti termodinamiciCalore sensibile: caso ideale

Se le macchine, con tutta la catena di trasformazioni e gli scambitermici, sono ideali

ε =qF

qC

=ln(TC ,a

TC ,b

)− TC ,a−TC ,b

T0

TF ,a−TF ,b

T0− ln

(TF ,a

TF ,b

)×

TF ,a − TF ,b

TC ,a − TC ,b

Per esempio: TC ,a = 110 ◦C, TC ,b = 90 ◦C, TF ,a = 12 ◦C, TF ,b =7 ◦C, T0 = 30 ◦C. Si ottiene ε = 2.58

I limiti termodinamiciLo schema di riferimento. Le prestazioni massime

La resafrigoriferaideale ε = qF

qCin funzionedella tempe-ratura TC

per quat-tro valoridi TF . Latemperaturaambiente T0

e fissata a 30◦C.

ε = qFqC

= TC−T0TC

× TFT0−TF

.

Le macchine utilizzabiliCiclo Rankine con ciclo frigorifero a compressione. Caso ideale.

Ciclo frigorifero a compres-sione trascinato da un cicloRankine, [2]

Le macchine utilizzabiliCiclo Rankine con ciclo frigorifero a compressione. Caso ideale, II.

Coefficiente di resafrigorifera per il si-stema ideale in fun-zione della comples-sita molecolare delfluido di lavoro, [2]

Le macchine utilizzabiliCiclo Rankine con ciclo frigorifero a compressione. Alta temperatura

Configurazione di ciclo edorganizzazione dei compo-nenti per un sistema com-posto da un motore a fluidoorganico e da una pompa dicalore (o ciclo frigorifero)a compressione, [3]. Casocon due fluidi di lavoro.

Le macchine utilizzabiliCiclo Rankine con ciclo frigorifero a compressione. Alta temperatura: esempio, [4]

La seguente Tabella si riferisce al caso di pompa di calore 1

1Con riferimento ad un sistema frigorifero le rese per le due configurazionirisultano: (a) 1.05, (b) 1.15.

Le macchine utilizzabiliCiclo frigorifero con eiettore. Calore a bassa temperatura

Configurazione di un ci-clo frigorifero realizzatomediante un eiettore, [2]

Le macchine utilizzabiliCiclo frigorifero con eiettore. Le prestazioni

Effetto della complessitamolecolare e della tempera-tura di condensazione sul-la efficienza frigorifera diun sistema con eiettore. Ivalori sono calcolati, [2].

Le macchine utilizzabiliCicli a gas

Ciclo Brayton frigoriferocombinato con un ciclo diturbina a gas con rigene-ratore. (a) Schema diimpianto; (b) Diagrammatemperatura–entropia, [5].Puo essere utilizzato un so-lo compressore per entram-be i cicli poiche essi ope-rano allo stesso rapporto dicompressione.

Le macchine utilizzabiliCiclo frigorifero ad assorbimento

Nelle macchine ad assorbimento la differenza di pressione(temperatura) fra l’evaporatore ed il condensatore non e ottenutamediante un compressore ma con un insieme di elementi chesfruttano le diverse proprieta di assorbimento e di de-assorbimentodi un fluido di lavoro (il fluido refrigerante) in un solvente liquido.Il fluido refrigerante e il fluido caratterizzato dalla minoretemperatura di ebollizione.Le miscele attualmente piu impiegate sono

1 ammoniaca come fluido di lavoro e l’acqua come solvente

2 acqua come fluido refrigerante e bromuro di litio comesolvente

Le macchine utilizzabiliCiclo frigorifero ad assorbimento

Schema concettuale difunzionamento di una macchinafrigorifera ad assorbimento, [6].

QR+QF + WP = QA + QCN

QC = QR

Q0 = QA + QCN

• la potenza termica QR vieneassorbita al rigeneratore ed ilrefrigerante (il soluto)evapora dalla soluzione

• la potenza termica QA vieneriversata nell’ambienteall’assorbitore, conseguenzadell’assorbimento delrefrigerante nella soluzione

• la pressione e maggiore nelrigeneratore chenell’assorbitore e serve unapompa per ricircolare lasoluzione dall’assorbitore alrigeneratore

Le macchine utilizzabiliCiclo frigorifero ad assorbimento

Schema di una macchina ad assorbimento ad NH3 + H2O, [7].

Le macchine utilizzabiliCiclo frigorifero ad assorbimento

Schema di unamacchina ad as-sorbimento adH2O + LiBr avapore, [8].

Le macchine utilizzabiliCicli frigoriferi ad assorbimento. Le prestazioni

Esempi di caratteristiche di macchine commercialmente disponibilia singolo effetto ad alimentazione indiretta, [1].

Potenza COP medio Temperatura acqua Soluzionefrigorifera (kW) refrigerata (◦C) refrigerante

35–105 0.7 5.5 a 12.5 H2O + LiBr104 0.74 7 a 12 H2O + LiBr

100–600 0.4 0 a -50 NH3 + H2O2000–4800 0.71 4 a 15 H2O + LiBr

Con un COP di 0.7 la potenza termica riversata nell’ambiente per

unita di potenza frigorifera utile e pari a 2.42 (= Q0

QF= 1

COP + 1).

Le macchine utilizzabiliLa sorgente di calore

I sistemi frigoriferi presentati che utilizzano energia termica per illoro funzionamento, ovvero quelli basati su

• la refrigerazione termo-meccanica

• le macchine ad assorbimento

impiegano calore da una qualunque fonte (purche ad unatemperatura compatibile con il loro corretto funzionamento)

• da combustione, per esempio, di gas naturale

• da olio diatermico

• da vapore

• da acqua calda o surriscaldata

• gas caldi

In particolare, il calore puo anche provenire dall’irraggiamentosolare.

L’energia solare disponibile

Energia termica so-lare disponibile alsuolo. I dati si rife-riscono alla citta diBrescia e sono rela-tivi ad una superfi-cie piana orizzontaleorientata a sud.

L’ energia disponibile varia molto nell’anno: a gennaio il valoremassimo medio di insolazione e circa 236 Wh/m2 per ora; a luglioe circa 793 Wh/m2 ora. Mediamente le ore di luce sono 9 agennaio; 15 in luglio.

Le peculiarita dell’uso della energia solare

• E’ molto importante che il dispositivo di cattura e diconversione dell’energia solare abbia un rendimento il piuelevato possibile.

• Fondamentali sono l’orientazione e la inclinazione deldispositivo di captazione.

• Puo essere utile ricorrere alla concentrazione, per ottenere altetemperature o una sensibile riduzione della superficie captante.

• Puo essere indispensabile prevedere un sistema di accumulo.

L’impiego della energia solare nella produzione di potenzafrigorifera (solar cooling), ad uso civile o industriale, mediantemacchine ad assorbimento permette lo sfruttamento di unimpianto solare termico proprio nel periodo estivo, quandol’insolazione e massima.

I collettori solariLe varie tipologie, [9]

I vari tipi di collettori solari disponibili sul mercato: stazionari,mobili su di un asse, mobili intorno a due assi di rotazione.Aumentando il rapporto di concentrazione aumenta la temperaturadi funzionamento.

I collettori solariI collettori piani

Diagrammi schematici di collettori piani non a concentrazione: (a)piano, (b) con tubi a vuoto, [10].

I collettori solari fissi a concentrazioneI Compound Parabolic Collectors (CPC)

Sezione trasversale delmodello CPC-T contre assorbitori (bifac-ciali). Schema geome-trico tipico e tracciadei raggi solari, [11].I collettori CPC so-no concentratori (rap-porto di concentrazio-ne 1–5) che rifletto-no i raggi incidentisulla superficie versouna zona relativamen-te ampia mediante ri-flessioni multiple.

I collettori solari mobili a concentrazioneEsempio: i Parabolic Trough

Schema di un colletto-re parabolico, [12].I raggi incidenti sul-la superficie sono con-centrati lungo la lineafocale. Le tempera-ture raggiungibili sonotali (sino a 400 ◦C) dapermettere, con buo-na efficienza, anche lagenerazione di energiaelettrica. Di solitosono mobili su di unasse.

I collettori solariEsempio, [13]

Gli assorbitori funzionanti ad energia solare termicaEsempio, [14]

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