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Modulo 3. Impianti industriali

Sezione 3.1 Impianto frigorifero a compressione a tre

livelli di temperature: esercitazione

Prof. Ing. Cesare Saccani

Prof. Ing. Augusto Bianchini

Dott. Ing. Marco Pellegrini

Ing. Francesco Cento

Ing. Alessandro Guzzini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna – Italy

Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale

EsercitazioneObiettivo

Identificazione della metodologia di calcolo per il dimensionamento di un impianto frigorifero a

più livelli di temperatura installato all’interno di uno stabilimento industriale.

Per lo scopo si definiscono i seguenti passaggi da seguire durante il procedimento:

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EsercitazioneI passo: Identificazione delle richieste del committente

Identificare quali siano le richieste del

committente è di fondamentale importanza per

realizzare una soluzione in accordo alle sue

aspettative. In particolare occorre:

• Identificare i dati iniziali per il progetto; in particolare occorre sapere:

1. Le attività che si realizzano all’interno dello stabilimento industriale, da cui derivano:

a. Temperature necessarie per lo svolgimento delle attività;

b. Tipologia di prodotto lavorato;

c. Quantità e portate di prodotto stoccate nello stabilimento.

d. Tipologia di cella necessaria

2. Layout dello stabilimento:

a. Definizione del migliore layout al fine di minimizzare le dispersioni termiche ;

b. Se è già stato individuato da altri, si procede al calcolo delle dispersioni.

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Analisi della richiesta del committente: dati iniziali

Si vuole dimensionare un impianto di refrigerazione da installare all’interno di uno stabilimento

industriale in cui si effettuano le seguenti attività:

• Conservazione di 400 tonnellate di mele suddivise in 8 celle da cui, giornalmente, vengono

rimosse 10 t per essere vendute e ne vengono aggiunte altrettante per la conservazione:

• Periodo per portare le nuove mele dalla t ambiente alla temperatura di conservazione: 5

ore;

• Temperatura di conservazione: temperatura di cella pari a 2 °C (al di sotto di tale

temperatura si ha un deterioramento delle mele – ammaccature).

• Conservazione di 10 tonnellate di bastoncini di pesce di cui 2 t vengono rimosse giornalmente

per essere sostituite con altrettante tonnellate appena arrivate:

• Il trasporto dei bastoncini di pesce avviene all’interno di container refrigerati alla stessa

temperatura della cella;

• Temperatura di conservazione: temperatura di cella pari a -20 °C.

Per tener conto anche delle situazioni di emergenza in cui la temperatura dei bastoncini arriva a

quella limite di accettabilità di -16 °C (per esempio a causa del malfunzionamento dell’impianto

frigorifero nel container) si decide di realizzare uno spazio mantenuto a -30 °C per il

raffreddamento rapido dei bastoncini in arrivo da -16 a -22 °C.

Esercitazione

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Analisi della richiesta del committente: definizione del layout

Per lo scopo è identificato il seguente layout

Esercitazione

Descrizione celle:

• 8 celle a 2 °C e grado igrometrico φ = 0,85

(celle 1 – 4 e celle 7 – 10);

• 1 cella a – 20 °C e grado igrometrico φ = 0,85

(cella 6);

• 1 cella a – 30 °C e grado igrometrico φ = 0,85

(cella 5)

Condizioni al contorno:

• Sala lavorazione a 20°C φ = 0,60

• T aria esterna: 35 °C

Altezza celle: 5 m

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EsercitazioneII passo: calcolo dei carichi termici

Per procedere alla progettazione occorre calcolare

i carichi termici dell’impianto in esame. Un’errata

valutazione può comportare sottodimensionamenti

(incapacità di soddisfare la richiesta) o

sovradimensionamenti (costo iniziale

dell’impianto eccessivo) responsabili di

insoddisfazione da parte del committente:

• Per procedere al calcolo dei carichi termici occorre:

1. Reperire le informazioni utili ai fini del dimensionamento e, ove non fosse possibile,

formulare delle ipotesi;

2. Calcolare i carichi termici (dispersioni termiche, conservazione e respirazione,

contributi interni, aperture porte e sbrinamento, etc.);

3. Tenendo conto delle ipotesi semplificative, moltiplicare i valore ottenuti per un

coefficiente di sicurezza ritenuto opportuno in funzione delle ipotesi fatte e della qualità

dei dati a disposizione (segue da punto 1). Un valore tipico solitamente è il 20%.

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Dimensionamento: definizione delle ipotesi di calcolo.

• Si consideri che ogni cella sia accessibile attraverso una porta di altezza 3m e larghezza 2m,

l’apertura è consentita solo per l’accesso e l’uscita del personale per una durata complessiva

(fra ingresso ed uscita) di 5 minuti (ogni 24 ore);

• Si consideri un sistema di illuminazione attivo solo durante il periodo di permanenza del

personale all’interno della cella;

• Si consideri che vengano utilizzati, all’interno delle celle, macchinari per il sollevamento del

materiale solo durante la presenza del personale;

• Si consideri un ciclo di sbrinamento per il ghiaccio formatosi sugli aeroventilatori, di durata

20 minuti una volta al giorno, mediante apposite resistenze elettriche.

Esercitazione

• Si consideri un accesso del personale ogni 24 ore per

una durata di 20 minuti, tale periodo di permanenza è

stato scelto in funzione della normativa sulla sicurezza

sul lavoro.

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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici

Per dimensionare correttamente l’impianto frigorifero occorre calcolare i carichi termici presenti.

𝑄𝑓𝑟𝑒𝑑𝑑𝑎 = 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑝 + 𝑄𝑟𝑒𝑠𝑝 + 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑠 + 𝑄𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 + 𝑄𝑖𝑛𝑡 + 𝑄𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛

Dove:

• Qfredda è la potenza frigorifera nominale richiesta all’impianto;

• Qdisp è la potenza termica dovuta alla trasmissione di calore, che dall’esterno passa all’interno

della cella, attraverso le pareti, il pavimento ed il soffitto;

• Qresp è la potenza termica di respirazione generata dai microrganismi ancora vivi nella frutta (è

presente solo nelle celle dove non è previsto il congelamento);

• Qcons è la potenza termica da sottrarre al prodotto immesso nella cella per portarlo alla

temperatura di conservazione dalla temperatura iniziale;

• Qporte è la potenza termica entrante all’apertura e chiusura delle porte;

• Qint è la potenza termica interna, che rappresenta il calore dovuto alle fonti interne (ad esempio

luci, muletti e persone che lavorano all’interno della cella);

• Qsbrin è la potenza termica di sbrinamento necessaria per eliminare il ghiaccio formatosi sugli

scambiatori.

Esercitazione

8/57


Al fine del dimensionamento dell’impianto frigorifero occorre distinguere fra carichi termici continui e

carichi non continui.

Si può per lo scopo seguire la seguente distinzione:

• Carichi continui:

• Dispersioni termiche Qdisp;

• Potenza di respirazione Qresp.

• Carichi non continui:

• Potenza per la conservazione del prodotto Qcons;

• Potenza entrante a seguito dell’apertura delle porte Qporte;

• Potenza introdotta da motori, persone, luci Qint;

• Potenza di sbrinamento Qsbrin.

Al fine di evitare sovradimensionamenti, si può ipotizzare di erogare l’energia frigorifera associata ai carichi

non continui in un intervallo di tempo definito in funzione delle attività svolte in cella.

Esercitazione

9/57


Infatti l’energia termica Eth introdotta da ciascuna carico termico non continuo, definito Qist per genericità,

per l’intervallo Δtist vale:

𝐸𝑡ℎ = 𝑄𝑖𝑠𝑡∆𝑡𝑖𝑠𝑡

Conseguentemente a parità di energia frigorifera da introdurre (Efrig) è opportuno scegliere intervalli

temporali Δt maggiori di Δtist al fine di ridurre la potenza frigorifera richiesta all’impianto Qfrig, comunque

minore di quella entrante:

𝑄𝑓𝑟𝑖𝑔 =𝐸𝑓𝑟𝑖𝑔

∆𝑡=

𝐸𝑡ℎ

∆𝑡=

𝑄𝑖𝑠𝑡∆𝑡𝑖𝑠𝑡

∆𝑡→ 𝑝𝑜𝑖𝑐ℎè ∆𝑡𝑖𝑠𝑡< ∆𝑡 ⟹ 𝑄𝑓𝑟𝑖𝑔 < 𝑄𝑖𝑠𝑡

La durata massima dell’intervallo deve essere definito in accordo con i requisiti dell’applicazione e dunque

della conservazione di mele e bastoncini nella specifica applicazione.

Esercitazione

Tipo di cella Intervallo Δt,

[h]

Motivazione

Cella a 2 °C 5 Oltre le cinque ore si potrebbe avere deterioramento delle mele.

Cella a -20 °C 18 E’ stato scelto tale valore in quanto corrispondente al periodo di funzionamento in

continuo consigliato dal fornitore dell’evaporatore .

Cella a -30 °C 1 In caso di emergenza occorre effettuare un raffreddamento rapido.

10/57


Avendo ipotizzato di fornire l’energia termica entrante in un intervallo temporale maggiore rispetto a quello

per cui sono applicati, nel calcolo dei carichi termici presenti in cella si utilizza un coefficiente di

contemporaneità pari al 100%.

Volendo riportare un caso studio, tuttavia, le condizioni al contorno definite sono semplificate rispetto alla

realtà. Infatti, nei casi reali, occorre tener conto anche di valutazioni dinamiche per determinare la capacità

dell’impianto di far fronte a carichi istantanei imprevisti come per esempio l’ingresso non programmato di un

operatore e di una macchina con apertura della porte.

Esercitazione

11/57


1. Potenza termica per dispersione Qdisp

Questo termine rappresenta la dispersione termica attraverso le pareti delle celle che dipende dal materiale

scelto come isolante, dallo spessore, dall’esposizione della cella e del gradiente di temperatura fra interno ed

esterno:

𝑄 = 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ ∆𝑇 = 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ 𝑇𝑒𝑠𝑡 − 𝑇𝑖𝑛𝑡 + ∆𝑇𝑐𝑜𝑟𝑟

Dove U è il coefficiente globale di scambio termico:

𝑈 =1

1𝛼𝑒

+𝑠𝜆+1𝛼𝑖

Esercitazione

Dove:

• A è la superficie delle pareti [m2];

• ΔT è il gradiente termico fra interno ed esterno,

aumentato del fattore correttivo ΔTcorr in funzione

dell’esposizione [K];

• 𝜆 è la conduttività termica del muro [W/mK];

• S è lo spessore della parete [m];

• 𝛼𝑖 è la conduttanza interna [W/m2K];

• 𝛼𝑒è la conduttanza esterna [W/m2K].

Tabella: fattori correttivi di temperatura in funzione

dell’esposizione e della tipologia di superficie.

Fonte: 2014 ASHRAE Handbook refrigeration.12/57

Celle a 2 °C con due lati verso l'esterno (da 1 a 4)

PARETI A B C D Soffitto celle 1-4 Pavimento celle 1-4

Superficie [m2] 200 75 200 75 600 600

Esposizione NordInterna su

sala lavoraz.

Interna su

corridoioEst - -

Δt [°C] 33 18 18 33 33 10

Maggiorazione Δt dovuta

all'esposizione[°C]0 3 - 3 5 -

Δt totale [°C] 33 21 18 36 38 10

Conduttività termica λ [W/(mK)] 0,024 0,024 0,024 0,024 0,024 0,0349

Spessore pareti [mm] 80 60 60 80 100 80

Coefficiente di scambio esterno alla

cella αe [W/(m2K)]23,26 8,14 8,14 23,26 23,26 2,12

Coefficiente di scambio interno alla

cella αi [W/(m2K)]8,14 8,14 8,14 8,14 5,88 10

Coefficiente di scambio effettivo U

[W/(m2K)]0,29 0,36 0,36 0,29 0,23 0,35

Q disperso [kW] 1,89 0,57 1,31 0,77 5,21 2,10

Q effettivo totale [kW] 11,84

Q specifico [W/m2] 6,77

Esercitazione

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Cella a 2°C con un lato verso l'esterno e uno verso le celle a -30 e -20 (da 7 a 10)

PARETI CONSIDERATE G L N O P Soffitto celle 7-10 Pavimento celle 7-10

Superficie [m2] 50 150 75 200 75 600 600

EsposizioneInterna su

cella a -30°Interna su


sala lavoraz.

Interna su

corridoioEst - -

Δt [°C] -32 -22 18 18 33 33 10

Maggiorazione Δt dvuta

all'esposizione[°C]- - - - 3 5 -

Δt totale [°C] -32 -22 18 18 36 38 10

Conduttività termica λ

[W/(mK)]0,024 0,024 0,024 0,024 0,024 0,024 0,0349

Spessore pareti [mm] 40 40 60 60 80 100 80

Coefficiente di scambio

esterno alla cella αe

[W/(m2K)]

8,14 8,14 8,14 8,14 23,26 23,26 2,12


interno alla cella αi

[W/(m2K)]

8,14 8,14 8,14 8,14 8,14 5,88 10


effettivo U [W/(m2K)]0,52 0,52 0,36 0,36 0,29 0,23 0,35

Q disperso [kW] -0,84 -1,73 0,49 1,31 0,77 5,21 2,10



Esercitazione

Valore negativo in quanto confinanti

con una cella a T inferiore14/57

Cella a -20°C (cella 6)

PARETI H I L M Soffitto cella 6 Pavimento cella 6

Superficie [m2] 50 150 150 50 300 300



corridoio

Interna su cella

a 0°est - -

Δt [°C] -10 40 22 55 55 32


all'esposizione [°C]- - - 3 5 -

Δt totale [°C] -10 40 22 58 60 32

Conduttività termica λ

[W/(mK)]0,024 0,024 0,024 0,024 0,024 0,0349


Coefficiente di scambio esterno

alla cella αe [W/(m2K)]8,14 8,14 8,14 23,26 23,26 2,12

Coefficiente di scambio interno

alla cella αi [W/(m2K)]8,14 8,14 8,14 8,14 5,88 10


effettivo U [W/(m2K)]0,52 0,36 0,52 0,23 0,23 0,29

Q effettivo [kW] -0,26 2,19 1,73 0,67 4,11 2,79



Esercitazione

15/57

Cella a -30°C

PARETI E F G H Soffitto cella 5 Pavimento cella 5

Superficie [m2] 50 50 50 50 100 100


sala lavoraz.

Interna su

corridoio

Interna su

cella a 2°Interna su

cella a -20°- -

Δt [°C] 50 50 32 10 65 42


all'esposizione [°C]- - - - 5 -

Δt totale [°C] 50 50 32 10 70 42

Conduttività termica λ [W/(mK)] 0,024 0,024 0,024 0,024 0,024 0,0349


Coefficiente di scambio esterno alla

cella αe [W/(m2K)]8,14 8,14 8,14 8,14 23,26 2,12

Coefficiente di scambio interno alla

cella αi [W/(m2K)]8,14 8,14 8,14 8,14 5,88 10

Coefficiente di scambio effettivo U

[W/(m2K)]0,36 0,36 0,52 0,52 0,23 0,29

Q effettivo [kW] 0,91 0,91 0,84 0,26 1,60 1,22


Q specifica [W/m2] 14,35

Esercitazione

16/57

3,20𝑘𝑊 2,62 𝑘𝑊 2,62 𝑘𝑊 3,40𝑘𝑊

5,74 𝑘𝑊 11,22 𝑘𝑊

1,81𝑘𝑊 1,58 𝑘𝑊1,58𝑘𝑊

2,35 𝑘𝑊


1. Potenza termica per dispersione Qdisp

Vediamo come la disposizione delle

celle influisce sulle dispersioni

termiche. Le celle con pareti non

confinanti verso l’esterno e con una

parete in comune con ambienti a

temperature inferiori presentano delle

dispersioni minori. In fase di

progettazione del layout bisognerà

tenere in considerazione anche questo

fattore.

A parità di superficie:

Celle 1-4: 11,84 kW totali

Celle 7-8: 7,31 kW totali (-38%)

17/57

2. Potenza frigorifera richiesta per respirazione Qresp

Ciascun prodotto non congelato contiene degli organismi viventi che continuano a cedere calore in funzione

della temperatura di stoccaggio.

(Becker et al., 1996) definisce una correlazione fra la quantità di CO2 emessa dagli organismi ed il calore di

respirazione prodotto in funzione della temperatura ambiente:

𝑄𝑟𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒,𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎 =10,7𝑓

3600

9 × 𝑇

5+ 32

𝑔𝑊

𝑘𝑔

Dove g ed f sono dei coefficienti tabulati in funzione dello specifico prodotto e T è la temperatura ambiente

in °C


Tabella: coefficienti di respirazione per alcuni alimenti.

Fonte: 2014 ASHRAE Handbook refrigeration.

Esercitazione

Prodotto f g

Quantità di prodotto che

produce 1 kW, [kg]

Mele 0,00056871 2,5977 55.186

Ribes 0,00007252 3,2584 40.852

Cavolini di brussels 0,0027238 2,5728 12.594

Cavolo 0,00060803 2,6183 47.955

Carote 0,050018 1,7926 11.134

Stoccando quantità uguali di prodotti

differenti si possono avere potenze per

respirazione molto differenti.

Per cui modificare il prodotto stoccato

comporta valutazioni sulla nuova

capacità richiesta all’impianto

frigorifero. 18/57

2. Potenza frigorifera richiesta per respirazione Qresp

𝑄𝑟𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒,𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎 =10,7𝑓

3600

9 × 𝑇

5+ 32

𝑔𝑊

𝑘𝑔

Questo termine è presente solamente nella cella a 2 °C:

𝑄𝑟𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒,𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎 =10,7∗0,00056871

3600

9×2

5+ 32

2,5977= 0,018 [W/kg]

Considerando la quantità di prodotto stoccata pari a 50000 kg si ha:

𝑄𝑟𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 = 𝑄𝑟𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒,𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎 ×𝑀𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑜 = 0,018 × 50000 = 900𝑊


Esercitazione

Tabella: coefficienti di respirazione per alcuni alimenti.

Fonte: 2014 ASHRAE Handbook refrigeration.

Prodotto f g

Quantità di prodotto che

produce 1 kW, [kg]

Mele 0,00056871 2,5977 55.186

Ribes 0,00007252 3,2584 40.852

Cavolini di brussels 0,0027238 2,5728 12.594

Cavolo 0,00060803 2,6183 47.955

Carote 0,050018 1,7926 11.134

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3. Potenza termica richiesta per conservazione Qcons

Essendo un carico non continuo, per calcolare la potenza termica richiesta per conservazione si calcola

l’energia termica introdotta di conservazione (Econs). Questa è l’energia necessaria per portare il prodotto

dalla temperatura di partenza alla temperatura finale. In particolare questa quantità può essere calcolata nel

seguente modo:

𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠 = 𝑀𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑜 ∗ 𝑐𝑝𝑠𝑜𝑝𝑟𝑎 ∗ (𝑇𝑖𝑛𝑖𝑧𝑖𝑎𝑙𝑒 − 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒)

Dove cpsopra è il calore specifico del prodotto per temperature superiori a quelle di congelamento in [kJ/kgK],

Mprodotto è la massa di prodotto in [kg].

Per quanto riguarda la frutta, i valori tipici del calore specifico oscillano fra 2,5 e 4 kJ/kgK, in quanto

composta principalmente da acqua. Riportiamo di seguito le tabelle con i dati di nostro interesse ossia mele e

bastoncini di merluzzo. (Fonte: 2014 ASHRAE Handbook refrigeration).

Esercitazione

20/57



Nel caso la frutta introdotta in cella giornalmente non venga disposta a terra ma su pallet, bisognerà

considerare anche l’apporto termico necessario a portare in temperatura tale materiale. Di conseguenza

l’energia necessaria per la conservazione risulta pari a:

𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠 = 𝑀𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑜 ∗ 𝑐𝑝𝑠𝑜𝑝𝑟𝑎 ∗ 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑧𝑖𝑎𝑙𝑒 − 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒 +𝑀𝑙𝑒𝑔𝑛𝑜 ∗ 𝑐𝑝legno ∗ (𝑇𝑖𝑛𝑖𝑧𝑖𝑎𝑙𝑒 − 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒)

Esercitazione

Tabella: Calore specifico tipico di

Materiali per packaging.

Fonte: 2014 ASHRAE Handbookrefrigeration

21/57



Per il calcolo della potenza termica si divide l’energia termica calcolata per l’intervallo temporale in cui si è

ipotizzato fornire tale energia:

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑠 =𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠∆𝑡

=𝑀𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑜 ∗ 𝑐𝑝𝑠𝑜𝑝𝑟𝑎 ∗ 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑧𝑖𝑎𝑙𝑒 − 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒 +𝑀𝑙𝑒𝑔𝑛𝑜 ∗ 𝑐𝑝legno ∗ (𝑇𝑖𝑛𝑖𝑧𝑖𝑎𝑙𝑒 − 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒)

∆𝑡

Si considera inoltre che il pallet, in legno, abbia un peso di 20 kg (per la cella a 2°C) e 5 kg (per la cella a -

20°C) e temperatura pari a 30 C.

• Cella a 2 °C:

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑠 =𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠,𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 2𝐶∆𝑡𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 2 𝐶

=10000 × 3,81 × 30 − 2 + 20 × 1,7 × (30 − 2)

5 × 3600= 59,31 𝑘𝑊

• Cella a -20 °C:

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑠 =𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠,𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 −20 𝐶

∆𝑡𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 −20 𝐶=2000 × 2,14 × −20 − −20 + 5 × 1,7 × −20 − −20

18 × 3600= 0 𝑘𝑊


𝑄𝑐𝑜𝑛𝑠 =𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠,𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 −20 𝐶

∆𝑡𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 −30 𝐶=2000 × 2,14 × −16 − −22 + 5 × 1,7 × −16 − −20

1 × 3600= 7,14 𝑘𝑊

Esercitazione

22/57


3. Potenza termica aperture porte Qporte

Ogni qual volta si verifica un’apertura fra una cella e l’ambiente esterno, si crea uno scambio naturale di aria

fra i due spazi comportando di conseguenza l’ingresso di aria calda dall’esterno.

La formula più utilizzata per il calcolo delle infiltrazioni è quella formulata da Gosney e Olama:

𝐺𝑎 = 𝐶𝑖𝑛𝑓𝐴 𝐻𝜌𝑖 − 𝜌0

𝜌𝑖

12 2

1 +𝜌𝑖𝜌0

13

32∗

𝜌𝑖 − 𝜌02

Dove

• 𝐺𝑎 = portata massica dell’aria entrante [m3/s];

• 𝐶𝑖𝑛𝑓= coefficiente di infiltrazione = 0,692 𝑚/𝑠

• A = area frontale porta [m2]

• H = altezza della porta [m]

• 𝜌𝑖 = densità dell’aria fredda [kg/m3]

• 𝜌0 = densità dell’aria calda [kg/m3]

Esercitazione

23/57



Una volta calcolata la portata massica si procederà con il calcolo della potenza frigorifera:

𝑄𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 = 𝐺𝑎 ℎ𝑎,𝑜 − ℎ𝑎,𝑖Dove:

• ℎ𝑎,𝑜= entalpia aria esterna [kJ/kg]

• ℎ𝑎,𝑖 = entalpia aria interna [kJ/kg]

Il carico frigorifero dovuto all’apertura delle porte può essere dunque notevole, per questo motivo bisogna

fare in modo che la porta venga aperta solo lo stretto necessario, stabilendo una frequenza e un periodo

massimo di apertura.

Questi valori dipendono principalmente dalla tipologia operativa della cella e dalle condizioni ambientali

circostanti. Altre soluzioni possono essere l’utilizzo di cortine d’aria, vestiboli, strisce di plastica e dock

intermedi refrigerati che possono diminuire tale perdita anche del 80-90%.

Esercitazione

24/57



Per tutti e tre i casi si considera un’apertura di durata complessiva 5 min. La superficie totale delle porte è 6

m2.

• Cella a 2°C:

𝐺𝑎 =0,692 ∗ 6 ∗ 3 ∗

1,280 − 1,197

1,280

12 2

1 +1,2801,197

13

32 1,280 − 1,197

2= 0,037 m3/s


𝐺𝑎 =0,692 ∗ 6 ∗ 3 ∗

1,394 − 1,197

1,394

12 2

1 +1,3941,197

13

32 1,394 − 1,197

2= 0,123 m3/s


𝐺𝑎 = 0,692 ∗ 6 ∗ 3 ∗1,451 − 1,197

1,451

0,52

1 +1,4511,197

13

32 1,451 − 1,197

2= 0,173 m3/s

Esercitazione

25/57

Esercitazione

Mentre da diagramma di Mollier:

ℎ𝑎,𝑜 = 43 kJ/kg

ℎ𝑎,𝑖(2°𝐶) = 9 kJ/kg

ℎ𝑎,𝑖(−20°𝐶) = -15 kJ/kg

26/57



È quindi possibile utilizzando il diagramma di Mollier definire il carico termico conseguente all’apertura

delle porte.

• Cella a 2°C:

𝐸𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 = 𝐺𝑎 ℎ𝑎,𝑜 − ℎ𝑎,𝑖 × 𝑡 = 0,037 × 43 − 9 × 5 × 60 = 377,4 𝑘𝐽

Considerando il tempo di 5 ore precedentemente ipotizzato, otteniamo una potenza di:

𝑄𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 =𝐸𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒

5 × 3600=

377,4

5 × 3600= 0,02 𝑘𝑊


𝐸𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 = 𝐺𝑎 ℎ𝑎,𝑜 − ℎ𝑎,𝑖 × 𝑡 = 0,123 × 43 − (−15) × 5 × 60 = 2140,2 𝑘𝐽

Considerando il tempo di 18 ore precedentemente ipotizzato, otteniamo una potenza di :


18 × 3600=

2140,2

18 × 3600= 0,03 𝑘𝑊

Nel caso della cella a -30 C si utilizzano delle correlazioni per determinare l’entalpia dell’aria interna, non

avendo a disposizione i dati per temperature inferiori a -20 C nel diagramma utilizzato.

Esercitazione

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𝐺𝑎 = 0,692 ∗ 6 ∗ 3 ∗1,451 − 1,197

1,451

0,52

1 +1,4511,197

13

32 1,451 − 1,197

2= 0,173 m3/s

𝜌𝑖 = considerata a -30° e con umidità relativa dell’85%

𝜌0= considerata a 20° e con umidità relativa del 60%

Per il calcolo dell’entalpia alla temperatura di -30°C, non trovandola nel diagramma di Mollier faremo

ricorso al metodo analitico per il calcolo dell’entalpia h:

𝑝𝑠𝑎𝑡 𝑇 = exp 16,6536 −4030,183

𝑇 + 235= 500 𝑃𝑎

𝑥 = 0,622𝜑𝑝𝑠𝑎𝑡 𝑇

𝑝𝑡𝑜𝑡 − 𝜑𝑝𝑠𝑎𝑡 𝑇= 26,2 × 10−3

𝑘𝑔𝑣𝑘𝑔𝑎

ℎ −30 𝐶 = 1,005 𝑇 + 𝑥 2501 + 1,87 × 𝑇 = −29 𝑘𝐽/𝑘𝑔

Dove T è la temperatura dell’aria all’interno della cella [C], φ è il grado igrometrico dell’aria, ptot è la

pressione ambiente e pari 101325 Pa e psat (T) è la pressione di saturazione dell’aria alla temperatura T

Esercitazione

𝐸𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 = 𝐺𝑎 ℎ𝑎,𝑜 − ℎ𝑎,𝑖 × 5 × 60

= 0,173 × 43 − (−29) × 300 = 3736,8 𝑘𝐽

Considerando quindi di fornire quest’energia in

un’ora, otteniamo la seguente potenza:


1×3600= 1,038 kW

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5. Potenza termica carichi interni Qint

I carichi termici interni sono calcolati nel seguente modo:

𝑄𝑖𝑛𝑡 = 𝑄𝑖𝑙𝑙 + 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 + 𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐

Dove:

• 𝑄𝑖𝑙𝑙 è la potenza introdotta dalle luci per l’illuminazione del locale. Questa quantità dipende dalle attività

che si svolgono all’interno della cella e dalla tecnologia di illuminazione;

• 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 è la potenza introdotta dalle persone che si trovano all’interno per motivi di lavoro e che cedono

all’ambiente calore sensibile e latente;

• 𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐 è la potenza introdotta dai motori accesi all’interno del locale, dei carrelli elevatori e dei

macchinari di lavorazione presenti in cella. In generale invece, per quanto riguarda le apparecchiature con

motore interne alla cella, poiché non funzionano sempre a pieno regime, si può applicare un fattore di

utilizzazione compreso fra 0,6 e 0,8;

È dunque fondamentale per identificare tali termini conoscere quali sono le attività svolte all’interno della

cella.

Esercitazione

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5. Potenza termica illuminazione Qint

Essendo un carico non continuo, si calcola l’energia termica introdotta dall’illuminazione all’interno della

cella. In particolare si assume:

• Tipologia di lampade: lampade al led. L’utilizzo di illuminazione al led può ridurre notevolmente

tale contributo;

• Potenza illuminazione (Qlampade): 5 W/m2 (dove m2 è la superficie calpestabile delle celle definita

con la lettera S);

• Durata accensione lampade (Δtist): 20 min. ogni 24 ore.

Tale valore risulta circa 1/3 rispetto alle potenze dei sistemi di illuminazione dei locali predisposti alla

lavorazione del cibo.

L’energia introdotta è dunque:

𝐸𝑖𝑙𝑙 = 𝑄𝑙𝑎𝑚𝑝𝑎𝑑𝑒 × 𝑆 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡

La potenza frigorifera corrispondente vale:

𝑄𝑖𝑙𝑙 =𝐸𝑖𝑙𝑙∆𝑡

=𝑄𝑙𝑎𝑚𝑝𝑎𝑑𝑒 × 𝑆 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡

∆𝑡

Esercitazione

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5. Potenza termica illuminazione Qill:

𝑄𝑖𝑙𝑙 =𝐸𝑖𝑙𝑙∆𝑡

=𝑄𝑙𝑎𝑚𝑝𝑎𝑑𝑒 × 𝑆 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡

∆𝑡

• Celle a 2 °C

𝑄𝑖𝑙𝑙 =0,005 × 150 × 20 × 60

3600 × 5= 0,05 𝑘𝑊


𝑄𝑖𝑙𝑙 =0,005 × 300 × 20 × 60

3600 × 18= 0,03 𝑘𝑊


𝑄𝑖𝑙𝑙 =0,005 × 100 × 20 × 60

3600 × 1= 0,17 𝑘𝑊

Esercitazione

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5. Potenza termica persone Qpers

La potenza termica ceduta da una persona dipende dall’abbigliamento indossato, dal sesso e dall’attività

motoria compiuta (EN 28996:1994). Per semplicità di calcolo si possono prendere a riferimento i dati

riportati in tabella che si riferiscono a condizioni standard.

Esercitazione

Essendo un carico non continuo, si calcola l’energia termica introdotta

dalle persone all’interno della cella. In particolare si assume:

In particolare si assume:

• Durata permanenza persone all’interno (Δtist): 20 min. ogni

24 ore;

• Numero di persone all’interno della cella: 1#;

• Il calore emesso da una persone (Qp) in accordo alla tabella.


𝐸𝑝𝑒𝑟𝑠 = 𝑄𝑝 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡


𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 =𝐸𝑝𝑒𝑟𝑠∆𝑡

=𝑄𝑝 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡

∆𝑡

Temperatura di cella, [°C]

Potenza termica (sensibile + latente) ceduta da una

persona, Qp [W/#]

10 210

2 258

0 270

-5 300

-10 330

-15 350

-20 390

Tabella : potenza termica ceduta dal corpo umano in funzione della temperatura ambiente. Fonte: ASHRAE Handbookrefrigeration

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5. Potenza termica persone Qpers

𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 =𝐸𝑝𝑒𝑟𝑠∆𝑡

=𝑄𝑝 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡

∆𝑡

• Celle a 2 °C

𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 =0,258 × (20 × 60)

3600 × 5= 0,02 𝑘𝑊


𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 =0,39 × (20 × 60)

3600 × 18= 0,01 𝑘𝑊


𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 =0,510 × (20 × 60)

3600 × 1= 0,17 𝑘𝑊

Esercitazione

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5. Potenza termica motori Qmot+macc

Essendo un carico non continuo, si calcola l’energia termica introdotta dai motori presenti all’interno della

cella. In particolare si assume che il contributo sia dato da:

• Calore ceduto dal motore dell’aeroventilatore scelto, noto una volta scelto l’aeroventilatore;

• Si suppone che non siano presenti macchinari per la lavorazione del prodotto dentro la cella;

• Altri motori presenti all’interno delle celle. Si può ipotizzare:

• Presenza di un muletto di potenza Qmul pari a 12 kW;

• Essendo acceso solo in presenza di personale, si assume che il muletto funzioni 20 min. ogni 24 ore

(Δtist);

• Inoltre si assume un coefficiente di utilizzo (fu) pari a 0,6 dovuto al fatto che il muletto rilascia

l’intera potenza solamente in alcune attività fra cui quella di sollevamento;

• Rendimento elettrico ηel assunto pari a 0,8.


𝐸𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐 = 𝑓𝑢 × 𝑄𝑚𝑢𝑙 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡 × (1 − 𝜂𝑒𝑙)


𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐ℎ =𝐸𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐

∆𝑡=𝑓𝑢 × 𝑄𝑚𝑢𝑙 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡 × 1 − 𝜂𝑒𝑙

∆𝑡

Esercitazione

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5. Potenza termica motori Qmot

𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐ℎ =𝐸𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐

∆𝑡=

𝑓𝑢 × 𝑄𝑚𝑢𝑙 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡 × 1 − 𝜂𝑒𝑙

∆𝑡

• Celle a 2 °C

𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐ℎ =0,6 × 12 × 20 × 60 × (1 − 0,8)

3600 × 5= 0,10 𝑘𝑊


𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐ℎ =0,6 × 12 × 20 × 60 × (1 − 0,8)

3600 × 18= 0,03 𝑘𝑊


𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐ℎ =0,6 × 12 × 20 × 60 × (1 − 0,8)

3600 × 1= 0,48 𝑘𝑊

Esercitazione

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5. Potenza termica carichi interni Qint

𝑄𝑖𝑛𝑡 = 𝑄𝑖𝑙𝑙 + 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 + 𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐

• Celle a 2 °C

𝑄𝑖𝑛𝑡 = 𝑄𝑖𝑙𝑙 + 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 + 𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐 = 0,05 + 0,02 + 0,10 = 0,17 𝑘𝑊





Esercitazione

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5. Potenza termica sbrinamento Qsbrin

Per evitare che si abbia un decadimento dello scambio termico dovuto alla formazione di ghiaccio sugli

evaporatori viene effettuato uno sbrinamento termico. Per lo scopo il metodo più utilizzato è quello a gas

caldo anche se sono possibili altri metodi fra i quali l’inversione di ciclo o l’utilizzo di resistente elettriche.

Teoricamente, nel caso delle celle a 2 °C, la cessione di calore all’ambiente è praticamente nullo in quanto

l’energia termica fornita viene immagazzinata nella liquefazione del ghiaccio che avviene a temperatura

costante e pari alla temperatura di cella. Conseguentemente non si ha trasmissione di calore essendo nullo il

ΔT fra ghiaccio e cella. Per le altre celle, viceversa, occorre tener conto che il ghiaccio prima di liquefare

assorbe calore sensibile aumentando la propria temperatura; dunque non essendo nulla la differenza di

temperatura si ha potenza termica immessa in cella per sbrinamento.

Nella realtà tuttavia anche nel caso della cella a 2 °C si ha cessione di calore all’interno a causa della

regolazione utilizzata per il controllo dello sbrinamento. Infatti, nel caso della resistenza elettrica, questa

viene spenta nel momento in cui sull’evaporatore è raggiunta una temperatura superiore a 0 °C (solitamente

pari a 5 °C) per essere sicuri della liquefazione del ghiaccio su tutta la superficie.

Esercitazione

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6. Potenza termica sbrinamento Qsbrin

Essendo un carico non continuo, si calcola l’energia termica introdotta dall’attività di sbrinamento. Per calcolare questa

quantità si introduce il concetto di rendimento del processo di sbrinamento (ηsbrin) definito come rapporto fra energia

necessaria per sbrinare (E*sbrin) ed energia effettivamente fornita (Efornita).

𝜂𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛 =𝐸∗𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛𝐸𝑓𝑜𝑟𝑛𝑖𝑡𝑎

Da prove effettuate (Niederer, 1976), (Stoecker, 1983), (Cole, 1989) è suggerito un rendimento pari al 20%.

Conseguentemente si ipotizza che circa 80% della potenza introdotta per sbrinamento entra all’interno della cella per i

calcoli. Si ipotizza quanto segue:

• Numero di cicli di sbrinamento (N): 1#/die;

• Durata sbrinamento Δtist pari a 20 min;

• Rendimento del processo di sbrinamento ηsbrin pari a 0,20.

L’energia termica introdotta vale:

𝐸𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛 = 𝑁 × 𝑄𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛_𝑎𝑒𝑟𝑜 × 1 − 𝜂𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡

Dove Qsbrin_aero è la potenza di sbrinamento fornita dal costruttore nel datasheet della macchina.


𝑄𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛 =𝐸𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛∆𝑡

=𝑁 × 𝑄𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛_𝑎𝑒𝑟𝑜 × 1 − 𝜂𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡

∆𝑡

Esercitazione

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Per dimensionare correttamente l’impianto frigorifero occorre calcolare i carichi termici presenti.

Esercitazione

75,2 𝑘𝑊 74,5 𝑘𝑊 74,5 𝑘𝑊 75,4 𝑘𝑊

16,68 𝑘𝑊 13,69 𝑘𝑊

73,5 𝑘𝑊 73,2 𝑘𝑊 73,2𝑘𝑊 74,2 𝑘𝑊

𝑄𝑓𝑟𝑒𝑑𝑑𝑎 = 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑝 + 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑠+𝑟𝑒𝑠𝑝 + 𝑄𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 + 𝑄𝑖𝑛𝑡

Il valore trovato tiene conto di un coefficiente di

sicurezza pari al 20%

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EsercitazioneIII passo: scelta del fluido frigorifero

La scelta del fluido frigorifero è di fondamentale

importanza per la progettazione dell’impianto.

Questa dipende dalle seguenti considerazioni:

1. Identificazione della temperatura di evaporazione in funzione della temperatura richiesta dal

committente;

2. Identificazione della temperatura di condensazione. Questa dipende dalla sorgente fredda

che si ha a disposizione che può essere acqua di falda, acqua di torre o aria esterna;

3. Analisi di mercato relativa alla reale disponibilità dei singoli componenti: la scelta di un

fluido potrebbe essere scartata a causa dell’assenza sul mercato di prodotti utilizzabili per

l’applicazione;

4. Definizione del ciclo termodinamico rappresentativo dell’impianto e del Energy Efficiency

Ratio (EER).

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Scelta del fluido di lavoro

La scelta del fluido frigorifero utilizzato nel ciclo è di fondamentale importanza nel dimensionamento

dell’impianto frigorifero. In particolare occorre effettuare alcune considerazioni fra cui:

• Temperatura di evaporazione. La temperatura di evaporazione (derivante dalle richieste del

committente) identifica differenti pressioni di evaporazioni in funzione del fluido utilizzato;

Solitamente si identifica una differenza di temperatura superiore ai 5 K fra temperatura richiesta e

temperatura di evaporazione

• Temperatura di condensazione. La temperatura di condensazione dipende dalla sorgente fredda a

nostra disposizione in prossimità dell’impianto. A ciascuna temperatura di condensazione

corrisponde una pressione di condensazione in funzione del fluido frigorifero utilizzato. Solitamente

si identifica una differenza di temperatura superiore ai 5 K fra temperatura richiesta e temperatura di

condensazione

La scelta del fluido frigorifero dunque caratterizza l’EER e quindi le prestazioni energetiche del futuro

impianto. L’obiettivo è quello di ottimizzare l’EER al fine di ridurre i costi operativi dell’impianto e dunque

massimizzare il margine operativo lordo (MOL) annuale.

Tuttavia a queste richieste occorre associare componenti effettivamente disponibili sul mercato. Non è infatti

detto che la scelta del fluido derivante per motivi prestazionali (termodinamici) corrisponda la reale scelta

(funzione della disponibilità di mercato).

Esercitazione

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Identificazione della sorgente fredda

Per motivi economici e di ingombri si vorrebbe realizzare un condensatore il più economico possibile ed il

meno ingombrante in termini di superficie. Entrambe le richieste derivano da quella di minimizzazione della

superficie di scambio che può essere ottenuta aumentando i coefficienti di scambio o la differenza di

temperatura media logaritmica. Per questo motivo solitamente si definisce che la temperatura di

condensazione del fluido frigorifero sia ad una temperatura superiore di almeno 5 K del fluido freddo in

uscita dal condensatore. Conseguentemente la temperatura della sorgente fredda determina quella di

condensazione e dunque le prestazioni del ciclo.

Le sorgenti fredde comunemente utilizzabili per asportare calore dal condensatore sono le seguenti:

1. Acqua di falda. L’acqua di falda si trova a temperature comprese nell’intervallo 15 C – 20 C per tutta la

durata dell’anno. Sebbene le basse temperature potrebbero far propendere sempre per questa sorgente,

occorre valutare la profondità a cui si trova la falda, la reale disponibilità e lo stato chimico-fisico. Inoltre

il suo utilizzo è possibile previa autorizzazione da parte delle autorità competenti.

2. Torre evaporativa. La torre evaporativa consente di avere temperature della sorgente fredda solitamente

comprese fra 35 C – 30 C (nelle condizioni peggiori nella zona climatica di Bologna). In inverno è

possibile ottenere temperature inferiori grazie al maggior raffreddamento in torre.

3. Aria esterna. La temperatura dell’aria e dunque la temperatura di condensazione dipendono dalla

località di installazione e dalla stagione.

Nel caso in esame si considera un condensatore ad aria. La temperatura di progetto dell’aria è considerata

pari a 35 C.

Esercitazione

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P(Tev=-40°C)=1,3 bar

P(Tc=50°C)=23 bar

x=0,70 (isoentalpica)

Rapporto di compressione: 23/1,3=17,7

P=4,5 bar (P(Tev=-10°C))

Analisi del ciclo frigorifero

Per le temperature in gioco è stato necessario utilizzare un impianto frigorifero a R404a il cui

ciclo termodinamico è rappresentato nel diagramma p-H, in cui sono riportate le pressioni di

evaporazione e di condensazione, abbiamo scelto come ΔT per l’evaporazione di 12°C e di 15 °C

per la condensazione.

Esercitazione

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EsercitazioneIV passo: scelta dei componenti

La scelta dei componenti consente di realizzare

fisicamente l’impianto. La scelta dei singoli

componenti deve essere effettuata effettuando

un’analisi – tecnica economica; in particolare:

1. Per ciascun componente si identificano le specifiche tecniche, ossia temperature di esercizio

e potenze termiche richieste. In funzione dell’applicazione potranno essere definiti requisiti

specifici aggiuntivi qualora richiesti (materiali, rumore, etc.);

2. Si inviano le specifiche tecniche così realizzate a tre/quattro fornitori identificati sul mercato

per ottenere una quotazione tecnica ed economica del prodotto;

3. Si sceglie analizzando le quotazioni tecniche economiche ricevute ed effettuando allineamenti

tecnici; in particolare si sceglie il prodotto che, rispettando le specifiche tecniche richieste,

presenta il miglior rapporto beneficio/costo.

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Scelta dei componenti: evaporatore

La scelta dell’evaporatore deve tener conto delle seguenti:

1. Una temperatura di evaporazione di 12 C inferiore rispetto a quella mantenuta nelle celle;

2. La potenza frigorifera al netto della potenza del motore del ventilatore e di quella di sbrinamento deve

essere superiore a quella richiesta per la singola cella;

3. La freccia d’aria, definita come la distanza dall’evaporatore alla quale l’aria possiede una velocità uguale

a 0,5 m/s, deve essere maggiore della lunghezza della cella.

Per il calcolo delle potenze effettive fornite dall’evaporatore nelle condizioni definite occorre tenere conto

dei seguenti coefficienti che dipendono dalla temperatura di cella, dalla differenza di temperatura fra

evaporatore e cella (assunto pari a 12 C) e che correggono il valore fornito da catalogo in condizioni di prova.

Esercitazione

𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒 =𝑄𝑛𝑜𝑚𝐾2

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Scelta dei componenti: evaporatore (riportiamo solo il dimensionamento relativo alla cella a 2°C)

• Celle a 2 °C.

Si è scelto l’aeroventilatore E503H40

Esercitazione

𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒 =54,4

1,27= 42,8 𝑘𝑊

Si scelgono due aeroventilatori per una

potenza complessiva di 85,6 kW.

La potenza al netto degli assorbimenti

elettrici e dello sbrinamento risulta

essere pari a:

𝑄𝑎𝑒𝑟𝑜 = 𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒 − 𝑄𝑒𝑙 − 𝑄𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛 =

85,6 – 0,28 – 1,09 = 84,2384,23𝑘𝑊 > 75,4 kW

Con 𝑄sbrin nel caso di celle a 2°C :

1×20,5×0,8 ×20×60

5 ×3600= 1,09 kW

Con Qel = 1,38 x 0,2 = 0,28

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Scelta dei componenti: evaporatore

• Celle a 2 °C.

Si è scelto l’aeroventilatore E503 H40

Installando due aeroventilatori affiancati si riesce a coprire una larghezza di circa 6,5 m rispetto ai 10 m totali

della cella.

Esercitazione

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Scelta dei componenti: compressore

La scelta del compressore non deve essere effettuata sommando le potenze frigorifere calcolate tal quali:

occorre infatti tener conto della contemporaneità con cui vengono si presentano i carichi.

In particolare le celle mantenute a 2 °C sono riempite quattro alla volta ogni 5 ore, alle 6:00 e alle 11:00.

Quindi la potenza massima di progetto dei compressori sarà data dalla somma delle seguenti:

• Potenza frigorifera dovuta alle dispersioni;

• Potenza frigorifera dovuta all’abbassamento di temperatura necessario alla conservazione delle mele in

quattro celle e relativi apporti interni e aperture porte;

• Potenza frigorifera di respirazione di tutte le celle.

Da queste considerazioni risulta una potenza frigorifera di progetto pari a 307 kW anziché 594 kW per le

celle a 2 °C.

Nel caso delle celle a – 20 °C abbiamo bisogno di 13,7 kW, mentre nel caso delle celle a -30 °C abbiamo

bisogno di 16,7 kW.

Esercitazione

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Scelta dei componenti: compressore (celle a 2 °C)

Esercitazione

La Potenza del compressore scelto è pari a 80,9

kW. Data la Potenza richiesta di 307 kW sono

necessari 4 compressori.

L’EER risulta 1,84.

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Scelta dei componenti: compressore (celle a -20 °)

Esercitazione

- Nel caso della cella a -20 °C si richiede 1 compressore da 16,29 kW (EER pari a 1,3);

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Scelta dei componenti: compressore (celle a -30 °)

Esercitazione

- Nel caso della cella a -30 C si richiede un compressore da 18,02 kW(EER pari a 1,04).

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Scelta dei componenti: condensatore

Il condensatore è dimensionato sulla base della potenza frigorifera complessiva fornita dal compressore per

tutte le celle. Nel caso analizzato considerando le celle a 2 °C, -20 °C e a -30 °C si ha una potenza frigorifera

totale di 337 kW.

Il condensatore deve essere dimensionato tenendo conto di diversi fattori di correzione che definiscono la

potenza fornibile nelle condizioni di esercizio rispetto a quelle dichiarate dal costruttore dello stesso in

condizioni di prova; fra queste si hanno:

• Tipo di compressore (nel caso analizzato semi-ermetico);

• Differenza di temperatura fra temperatura di condensazione e aria ambiente: assunta pari a 15 K;

• La temperatura dell’aria ambiente;

• La tipologia di fluido refrigerante;

• L’altitudine della località in cui è installato l’impianto;

• Temperatura di condensazione ed evaporazione.

Esercitazione

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Esercitazione

53/57


La potenza del condensatore risulta quindi:

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 = 337 × 1,55 + 13,7 × 1,86 + 16,7 × 2,1 × 1 × 1 × 1 × 1 × 1,03 = 600 𝑘𝑊

Modello scelto CAD 606.96 XL

Esercitazione

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Esercitazione

1

C

3

A 7

6

5

B

2

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Ciclo termodinamico

1

4

3

2

6 5

7

4

C

B

Esercitazione

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Richiesta del committente

• Individuazione delle richieste del committente relative all’impianto frigorifero. In particolare devono essere note le temperature richieste e le portate di materiale da conservare.

• Identificazione del layout migliore per lo scopo.

Dimensionamento

• Calcolo dei carichi termici di ciascuna cella frigorifera considerando tutti i contributi: dispersioni con l’esterno, conservazione e respirazione, contributi interni, apporti dovuti all’apertura delle porte.

Scelta del fluido frigorifero

• Note le temperature di evaporazione e di condensazione (dovuta alla sorgente fredda disponibile) si procede con la scelta del fluido frigorifero. La scelta dovrà essere effettuata considerando non solo le prestazioni del ciclo (COP) ma anche l’effettiva offerta di componenti sul mercato.

Scelta dei componenti

• I componenti devono essere scelti in funzione dei risultati ottenuti dai punti precedenti. Particolare attenzione dovrà essere affidata all’analisi di contemporaneità dei carichi per evitare sovradimensionamenti eccessivi.

EsercitazioneRiepilogo

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Modulo 3. Impianti industriali

Sezione 3.1 Impianto frigorifero a compressione a tre

livelli di temperature: esercitazione

Prof. Ing. Cesare Saccani

Prof. Ing. Augusto Bianchini

Dott. Ing. Marco Pellegrini

Ing. Francesco Cento

Ing. Alessandro Guzzini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna – Italy

Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale

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