Sistemi ad adsorbimento - de.unifi.it · attivo usando come fluidi di lavoro acqua, ammoniaca,...

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Tecnica del freddo G. Grazzini, A. Milazzo

Scuola di Ingegneria

Sistemi ad adsorbimento

Il ciclo in oggetto impiega un solido capace di adsorbire su uno strato superficiale il fluido

frigorigeno. Sostanze che presentano tali caratteristiche sono ad esempio zeolite o carbone

attivo usando come fluidi di lavoro acqua, ammoniaca, metanolo ed etanolo. Viene

seguito, in alcuni casi, un processo intermittente che è stato anche il primo proposto. Il

sistema è costituito da pochi componenti e perciò presenta il vantaggio di una maggiore

semplicità ed affidabilità rispetto ad un sistema ad assorbimento cui fa però riscontro una

minore efficienza energetica.

Nei cicli ad assorbimento continui è necessario l’impiego di un rettificatore per la

soluzione assorbente allo scopo di ripristinare opportuni valori di concentrazione. Ciò

porta come immediata conseguenza una maggiore complessità del sistema ed una stretta

dipendenza delle prestazioni dalla temperatura del generatore. Questo legame si

comprende osservando che, riducendo la temperatura del generatore, aumenta la

concentrazione della soluzione che ritorna all’assorbitore e dunque, a parità di quantitativo

di refrigerante proveniente dall’evaporatore, è necessario far circolare una quantità

maggiore di soluzione per l’assorbimento. Di conseguenza aumentano le perdite termiche

in quanto la soluzione va prima riscaldata per giungere al valore di concentrazione

massimo e successivamente, all’atto dell’assorbimento, raffreddata. Questo problema

viene parzialmente superato nei processi ad adsorbimento su solido in cui il rigeneratore è

meno sensibile alle variazioni di temperatura.

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Il funzionamento di una macchina frigorifera ad adsorbimento passa da una fase di

rigenerazione-condensazione ad una di adsorbimento-evaporazione. Lo schema del

sistema è riportato in figura. Nel primo semiciclo il reattore-generatore è riscaldato da una

sorgente termica per rigenerare l’assorbente. In tal modo avviene la separazione di fluido

frigorigeno che, convogliato verso il condensatore, passa allo stato liquido cedendo

all’ambiente il calore di condensazione.

Nel secondo semiciclo l’evaporatore è messo in comunicazione con il reattore mediante

l’apertura della valvola V2. Il fluido frigorigeno evapora, producendo l’effetto frigorifero,

e si porta verso il reattore ove viene adsorbito. I risultati esposti si riferiscono ad

un’analisi termodinamica condotta da Luo et al. [Luo L., Feidt M., Boussehain R., (1994), Etude

thermodynamique de machine à cycle inverse à absorption, Entropie, n. 183]. Gli autori effettuano un confronto

fra vari materiali adsorbenti e fluidi di lavoro individuando, per ciascuna coppia, il campo

di applicazione più adatto. Per effettuare il confronto essi definiscono un COP,

denominato intrinseco, che non dipende dalla configurazione dell’impianto e dalle

caratteristiche dei vari componenti, ma soltanto dalle caratteristiche termofisiche delle

sostanze adsorbenti e dei fluidi di lavoro considerati. Tale COP è dato dal rapporto:

fluidosensibileadsorbentesensibilefluidoentodeadsorbim

eevaporatorallassorbito

QQQ

QCOP

⋅⋅⋅

⋅⋅

++= '

.int

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Il confronto viene effettuato fra

le coppie di lavoro ordinate per

valori decrescenti del COPint.

riportato in tabella. Dal

confronto si desume che la

coppia di lavoro a più alta

efficienza in termini di

caratteristiche termofisiche è

costituita da carbone attivo

40/3 metanolo mentre

impiegando zeolite 13/X il

fluido frigorigeno più idoneo,

data la temperatura di

rigenerazione, risulta l'acqua.

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COPPIE DI

LAVORO

Tgeneratore

[K]

Tcond. [K]

Tevap.

[K]

COPintrin.

carbone attivo 40/3

metanolo

343 283 278 76.9

carbone attivo 40/3

etanolo

353 283 278 56.4

zeolite 13X

etanolo

363 283 278 49.6

zeolite 13X

acqua

353 283 278 45.9

zeolite 13X

ammoniaca

333 283 278 30.7

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Sistemi tritermici aperti ad adsorbimento

Sono stati considerati i cicli compiuti da sistemi chiusi nell’ottica di ottenere refrigerazione

partendo da sorgenti termiche a bassa entalpia. A questo fine si possono utilizzare anche sistemi

aperti. Questi ultimi trovano larga applicazione nella climatizzazione degli ambienti e sono

caratterizzati dal fatto che il fluido operativo, l’aria, può subire direttamente trasformazioni che

la portano nelle condizioni richieste dalla climatizzazione. In tal modo si possono limitare le

perdite connesse agli scambi di calore e tali impianti risultano adatti a sostituire i sistemi

convenzionali di produzione del freddo quando sia possibile sfruttare sorgenti termiche a

temperatura non elevata. A questi aspetti positivi corrispondono tuttavia valori del rendimento

energetico piuttosto bassi.

La climatizzazione richiede il controllo dell’umidità dell’aria e quindi delle trasformazioni con

variazione di calore sensibile e latente per rispondere al carico richiesto dagli ambienti. Il

carico sensibile è costituito dall’insieme dei flussi termici, interni ed esterni, che interessano

l’ambiente mentre quello latente è indotto da immissione di vapore d’acqua dovuta alla

presenza di persone, all’attività di cottura etc.. Inoltre l’impianto deve assicurare un costante

ricambio d’aria perché il metabolismo umano, e non solo, altera la composizione dell’aria

riducendo l’ossigeno, aumentando l’anidride carbonica e la concentrazione di batteri patogeni.

Di qui la necessità di introdurre nell’ambiente una certa portata di aria di ventilazione, allo

scopo di ripristinare opportune condizioni di purezza, portando gli inquinanti all’esterno,

oppure provvedendo ad una adeguata rigenerazione.

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Trasformazioni con variazione di umidità dell’aria

Nebulizzando acqua in una corrente d’aria non satura essa evapora e la temperatura

dell’aria si riduce, tendendo al valore di temperatura di bulbo umido. Il dispositivo che

realizza tale processo è detto saturatore adiabatico e può essere realizzato in vario modo,

ad esempio da una serie di ugelli che iniettano goccioline d’acqua nell’aria. Il quantitativo

di acqua che evapora dipende dal valore della pressione parziale del vapore d’acqua

nell’aria e quando tale valore uguaglia la pressione di saturazione, si raggiunge

l’equilibrio. La trasformazione subita dall’aria umida avviene senza variazioni sostanziali

dell’entalpia della miscela, che può esprimersi, riferendosi alla massa unitaria di aria secca

e considerando i due gas come perfetti, come:

( ) ( )[ ]000 TTcrxTTcxhhJ pvpava −++−=+=

essendo:

* ha ed hv i valori di entalpia specifica dell’aria secca e del vapore

* x l’umidità specifica, cioè il rapporto tra la massa di vapore e la massa di aria secca

* cpa e cpv i calori specifici a pressione costante dell’aria secca e del vapore

* ro il calore latente di vaporizzazione acqua a To=273,15 K, se questa è assunta come

temperatura di riferimento

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* T la temperatura dell’aria

Durante l’umidificazione l’energia necessaria al cambiamento di fase dell’acqua viene

fornita dall’insieme della miscela e quindi si abbassa la temperatura della corrente d’aria.

Questo fenomeno può essere sfruttato nei climi caldi e secchi ove è possibile garantire

condizioni termoigrometriche favorevoli negli ambienti, semplicemente utilizzando

batterie di ugelli spruzzatori. Tuttavia nei climi caratterizzati da elevati valori di umidità

relativa il raffreddamento evaporativo risulta inefficace ed è necessario ricorrere a sistemi

di deumidificazione-umidificazione; l’aria di immissione viene cioè prima deumidificata e

poi raffreddata sia con scambiatori sia con trattamenti di umidificazione.

Per ridurre il contenuto di acqua è sufficiente raffreddare la corrente d’aria ad una

temperatura inferiore alla sua temperatura di rugiada; in tal modo, si separa vapor d’acqua

che passa allo stato liquido, ma le temperature richieste sono in genere basse rispetto a

quella ambiente. Alternativamente è possibile impiegare sostanze assorbenti od adsorbenti

che sottraggono l’acqua dalla corrente d’aria umida. Tale processo è consigliabile quando

la temperatura di rugiada, a cui inizia la condensazione del vapore, dell’aria prelevata

dall’esterno è molto inferiore alla temperatura richiesta per il condizionamento

dell’ambiente. In certe condizioni tale differenza può anche superare i 10°C e dunque la

macchina frigorifera dovrebbe lavorare ad una temperatura molto inferiore a quanto

richiesto dal carico sensibile da soddisfare, peggiorando la sua efficienza. Inoltre sarebbe

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necessario disporre di una batteria di postriscaldamento allo scopo di immettere l’aria

nell’ambiente alla temperatura desiderata.

Può risultare più conveniente ricorrere ad

assorbenti liquidi o ad adsorbenti solidi dello

stesso tipo di quelli impiegati nei sistemi chiusi

ad assorbimento o ad adsorbimento. Il processo

di deumidificazione avviene grazie alla

differenza di pressione parziale tra il vapore

d’acqua nell’aria trattata e la pressione di vapore

a livello della sostanza deumidificante. Inoltre,

analogamente a quanto avviene in una comune

macchina ad assorbimento, impiegando una

sostanza deumidificante è necessario prevedere

una fase di rigenerazione che avviene

semplicemente riscaldando la sostanza utilizzata

così che ceda vapore ad una corrente di aria con

umidità relativa sufficientemente bassa. La

rigenerazione di un adsorbente viene effettuata,

analogamente, mediante immissione di aria

calda ad una temperatura compresa fra 70°C e

130°C. I valori superiori sono necessari quando

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l'aria di rigenerazione è caratterizzata da

elevati valori di umidità specifica. Un

possibile sistema di rigenerazione è riportato

in figura: sono presenti due assorbitori che

alternativamente sono impegnati nelle fasi di

deumidificazione e di rigenerazione. Tale

sistema presenta un elevato ingombro e non

è in grado di garantire un funzionamento

costante in quanto, al ridursi della capacità

assorbente, cambiano le condizioni dell’aria

all’uscita ed aumenta l’umidità specifica.

Entrambi i problemi possono essere limitati

impiegando un sistema rotante,

schematizzato in figura. Esso è costituito da

un cilindro riempito di fogli ondulati

impregnati di sostanze deumidificanti di cui

solo un settore è impegnato nella fase di

deumidificazione mentre la parte rimanente

viene rigenerata. Il cilindro ruota a velocità

ridotta, al massimo 6 giri l’ora, garantendo

condizioni più uniformi dell’aria all’uscita.

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A volte si utilizzano anche sistemi con liquidi assorbenti.

Occorre comunque sottolineare che l’assorbimento di vapore d’acqua da parte della

sostanza assorbente sviluppa calore e dunque diventa necessario raffreddare l’aria deumidificata.

Schemi impiantistici Secondo i concetti esposti, la figura riporta un

diagramma a blocchi di un sistema di

condizionamento basato su un processo di

deumidificazione-umidificazione.

Le trasformazioni possono essere seguite sul

diagramma entalpico dell’aria umida.

L’aria in ingresso è costituita da aria di rinnovo, 0. e

da una parte di aria di ricircolo, 1: la corrente 2,

subisce un raffreddamento per evaporazione e

successivamente entra in uno scambiatore ove sottrae

calore all’aria deumidificata, trasformazione 3-4,

senza variare il proprio contenuto di vapore.

Nel deumidificatore ad adsorbimento,

trasformazione 4-5, l’aria cede vapore d’acqua e si

riscalda per effetto del calore di adsorbimento.

Pertanto, prima di essere convogliata nell’ambiente

deumid.

umid.

umid. scamb.acqua di

torre

1 aria di

ricircolo

0 aria di

rinnovo

scamb.

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condizionato, viene raffreddata con acqua proveniente da una torre di refrigerazione o da

pozzo, trasformazione 5-6, quindi attraversa lo scambiatore aria-aria. Infine dallo stato 7 viene

raffreddata per

evaporazione portandosi al

valore di progetto di

umidità specifica.

Questo schema di

trasformazioni porta a

sistemi che si caratterizzano

per la grande semplicità.

Possiamo inoltre osservare

che l’energia spesa è

richiesta nella fase di

rigenerazione e perciò è

legata alle condizioni

climatiche, dipendendo

dall’umidità specifica

dell’aria esterna.

8

3

21

0

7

6

5

4

10

10

3020

30

20

x [g/kga]

t [°C]

50

40

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Ciclo ricircolato

Un secondo schema che consideriamo impiega all’immissione aria di ricircolo mentre la

rigenerazione del deumidificatore viene effettuata tramite l’aria prelevata dall’esterno.

L’impianto è molto compatto e prevede due umidificatori, un deumidificatore, uno scambiatore

ed una batteria di riscaldamento. Le trasformazioni possono essere seguite sul diagramma;

l’aria estratta dall’ambiente condizionato, stato 1, subisce una deumidificazione passando

attraverso un deumidificatore rotante. Successivamente, durante la trasformazione 2-3, cede

calore in uno scambiatore alla corrente di rigenerazione prima del suo ingresso nella batteria di

riscaldamento. Infine, mediante raffreddamento evaporativo, la portata di immissione si porta

nelle condizioni di umidità specifica di progetto.

punto 1 2 3 4 5 6 7 8 9

T(°C) 25 60 31 15 32 24 53 94 61

x(gH2O/ga) 0.01 0.002 0.002 0.008 0.012 0.015 0.015 0.015 0.023

h(kJ/kg) 50.5 65.2 36 36 62.7 62.7 92 134 121

Ciò permette di sfruttare il riscaldamento subito dall’aria estratta dall’ambiente climatizzato nel

deumidificatore per preriscaldare la portata di rigenerazione riducendo la quantità di calore da

fornire. L’aria esterna viene prima umidificata, trasformazione 5-6, in modo da abbassarne la

temperatura: e raffreddare la portata ricircolata, 6-7. Successivamente viene

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inviata in un riscaldatore, generalmente

alimentato a metano, in cui raggiunge una

temperatura di circa 130°C, sufficiente ad

effettuare la rigenerazione del

deumidificatore, ed infine viene espulsa.

E’ opportuno notare che la trasformazione di

deumidificazione 1-2 non è isoentalpica

perché quando avvengono contemporaneamente le

fasi di rigenerazione e di deumidificazione

mediante due distinte portate è inevitabile uno

scambio di calore fra le due correnti.

Il COP si ottiene dal rapporto fra la potenza

frigorifera e la potenza termica complessivamente

ceduta alla corrente di rigenerazione. La potenza

frigorifera si ottiene considerando la variazione di

entalpia fra le condizioni di immissione ed

estrazione dall’ambiente climatizzato. La potenza

termica spesa è evidentemente quella relativa alla

batteria di riscaldamento

x [g/kga]

t [°C]

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( )( )78

41

hhm

hhmCOP

esterna

ricircolo

−

−=

&

&

Assumendo uguali le portate di ricircolo e di rigenerazione e con i valori riportati in tabella si

ottiene un valore pari a 0.34.

Il deumidificatore è del tipo rotante in quanto riesce a garantire condizioni di temperatura a

bulbo secco e umidità specifiche dell’aria all’uscita abbastanza uniformi. La vita utile delle

sostanze adsorbenti di cui sono imbevuti i fogli ondulati che costituiscono il cilindro rotante è

variabile da un minimo di 10 000 ad un massimo di 100 000 ore a seconda del tipo di inquinanti presenti nell’aria trattata. Come adsorbente si può utilizzare gel di silice che ha il vantaggio di

richiedere temperature di rigenerazione inferiori a 90°C.

Il sistema proposto, come visto, fa uso al 100% di aria di ricircolo e questo non è desiderabile

per la necessità di controllare la purezza dell’aria. Perciò nella generalità dei casi la corrente

d’aria trattata contiene una quota di rinnovo, non inferiore al 10% della portata totale

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Ciclo ventilato

Una diversa modalità di funzionamento è offerta dal

ciclo ventilato in cui la rigenerazione è effettuata da

aria estratta dall’ambiente mentre l’aria immessa è tutta

aria di rinnovo. I componenti, come si vede dallo

schema, sono gli stessi del caso precedente.

punto 1 6 7 9 10 5 2 3 4

T(°C) 25 20 62 92 53 32 72 30 15.5

x(gH2O/ga) 0.01 0.012 0.012 0.012 0.021 0.012 0.003 0.003 0.009

h(kJ/kg) 50.2 50.2 93.4 124 107.6 63.2 80 37.7 37.7

t [°C]

x [g/kga]

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Il COP risulta uguale a 0.4, più elevato rispetto al caso della ricircolazione grazie al fatto che la

temperatura dell’aria nello stato 2, all’uscita dal deumidificatore, è pari a 72°C consentendo un

miglior preriscaldamento della portata di rigenerazione con conseguente riduzione della

potenza termica da fornire nel riscaldatore.

Confronti Al fine di effettuare un confronto con le macchine a compressione è necessario, anche per i

sistemi aperti, determinare il valore del rendimento exergetico.

CICLO RICIRCOLATO

stati 1 2 3 4 5 6 7 8 9

T (K) 298 333 304 288 305 297 326 367 334

x (g/kg) 10 2 2 8 12 15 15 15 23

et (kJ/kg) 0.1 2.1 0.9 0.6 0 0.2 0.8 5.8 1.9

fattore di Carnot (T di fiamma)= 0.71 ηII = 0.02 fattore di Carnot (150°C) = 0.3 ηII = 0.042

Premettiamo alcune osservazioni: l’effetto che si vuole raggiungere con un impianto di

condizionamento dell’aria è quello di portare l’aria umida ad uno stato in cui la temperatura e la

composizione differiscono dalle condizioni dell’atmosfera. Modificando la composizione del

sistema fluido è necessario considerare sia l’exergia fisica, legata cioè alle variazioni di

temperatura e pressione dell’aria rispetto alle condizioni atmosferiche, che l’exergia chimica,

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legata invece alle variazioni di composizione dell’aria rispetto alle stesse condizioni.

Considerando al solito la miscela di aria e vapore come miscela di gas ideali, l’exergia totale

per chilogrammo di aria secca può essere espressa come:

( ) ( )

( ) ( )( )

+

+

++

+++

−−+=

0

0

0

0

0

00

0

ln1

1ln1

ln1ln1

χχ

χχχ

χ

χ

TR

P

PTR

T

T

T

TTxcce

a

apvpat

essendo x l’umidità specifica, χ la frazione in mole ed avendo indicato con il pedice 0 i valori corrispondenti alle condizioni atmosferiche. In tal modo si determinano i valori di exergia

specifica riportati nelle tabelle.

Il rendimento exergetico dell’impianto è stato quindi ottenuto valutando il rapporto fra la

variazione di exergia. fra ingresso ed uscita dall’ambiente condizionato e l’exergia calore

fornita dalla sorgente termica, distinguendo inoltre il caso in cui il calore viene fornito da una

caldaia alimentata a metano da quello in cui esso provenga da una sorgente termica “di scarto”,

a temperatura sufficiente solo a rigenerare l’adsorbente. Nel primo caso per la determinazione

del fattore di Carnot abbiamo considerato la temperatura di fiamma. del metano pari a 800°C

mentre nel secondo caso il valore di temperatura della sorgente è stato assunto pari a 150°C,

essendo circa 100°C la temperatura di rigenerazione.

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CICLO VENTILATO

stati T (K) x (g/kg) et (kJ/kg)

1 298 10 0.1

6 293 12 0.25

7 335 12 1.4

9 365 12 5.4

10 326 21 1.1

5 305 12 0

2 345 3 3.1

3 303 3 0.7

4 288 9 0.5

fattore di Carnot (T di fiamma)= 0.71 ηII = 0.02 fattore di Carnot (150°C) = 0.3 ηII = 0.05

con

−⋅

∆=

g

ag

t

II

T

TQ

e

1

η

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I valori che si ottengono variano fra il 4% ed il 5% il che evidentemente dimostra i limiti di

questo tipo di impianti la cui valutazione non può prescindere dall’estrema semplicità e basso

costo d’impianto, ma soprattutto dal basso consumo elettrico che è stato trascurato. Questo

aspetto assume fondamentale importanza quando si voglia considerare la diffusione di questi

impianti in paesi in via di sviluppo ove l’installazione di generatori di potenza elettrica appare

poco razionale o comunque una soluzione dai costi e tempi di realizzazione e messa a punto

assai elevati.

E' anche possibile realizzare cicli che forniscono il condizionamento estivo ed invernale, come

negli schemi seguenti.

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Ciclo aperto ad assorbimento per riscaldamento e raffreddamento

Tali impianti sono presenti da tempo in letteratura, ma recentemente sono stati proposti per

reparti ospedalieri. In questi sistemi si effettua la deumidificazione chimica tramite la soluzione

igroscopica H2O/LiBr. Funzionano sia come impianto di condizionamento estivo, con

refrigerazione, che invernale, operando come pompa di calore; si ottiene un risparmio di

energia su base annua di circa il 20%, ma tale energia è fornita da acqua surriscaldata a 120-

140°C. Gli schemi di funzionamento per la configurazione estiva e poi invernale sono riportati

nelle figure.

L'interesse per gli ospedali è dovuto anche all'azione battericida del BrLi che permette di

ridurre le dimensioni ed i ricambi dei filtri per i reparti.

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Un possibile uso delle

ruote essiccanti è quello

indicato in figura, dove il

calore di condensazione

di un ciclo frigorifero

viene usato per la

rigenerazione della ruota

DE. La ruota ha la

funzione di abbattere il

calore dovuto alla

condensazione del

vapore, riducendo la

potenza del ciclo

frigorifero necessaria per portare l’aria alle condizioni volute.

DE

S

Wr

UR

Wc

4

r2 r3

1

8

COND

EVAP 2

3

4

HT

5

9 7 6 1

0

11

r2

r4 r1

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