Tecnica del freddo G. Grazzini, A. Milazzo Cicli ad ... · Tuttavia il ciclo di Carnot non è...

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Tecnica del freddo G. Grazzini, A. Milazzo

Scuola di Ingegneria

Cicli ad assorbimento

Anche in questo caso si ha la sostituzione dell'energia meccanica necessaria al

funzionamento del compressore, con energia termica a temperatura non elevata; il

compressore viene sostituito dal gruppo assorbitore-pompa-generatore.

Il vapore sviluppatosi

nell'evaporatore a spese

della sorgente fredda

viene assorbito da una

soluzione formata dal

refrigerante e da un

adeguato solvente. Dato

che il vapore in equilibrio

col proprio liquido ha una

pressione molto maggiore

di quella che caratterizza

l'equilibrio con la

soluzione alla stessa

temperatura, diventa

possibile anche

l'assorbimento di vapore

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proveniente da un evaporatore a temperatura più bassa di quella di funzionamento

dell'assorbitore. I due componenti α e β della miscela saranno scelti in modo che a pari T

e V si abbia Pα>>Pβ ; allo stesso tempo dallo schema abbiamo che le due pressioni

nell'evaporatore e nell'assorbitore sono eguali quindi:

Pe= Pα(Te)= Pa= µα Pα+µβ Pβ ≈ µα Pα(Ta) utilizzando la legge di Raoult per le soluzioni

ma essendo la frazione molare µα< 1 ⇒ Ta > Te

L'assorbimento arricchisce di refrigerante la soluzione; la soluzione ricca di refrigerante

viene inviata al generatore, che si trova a pressione più elevata dell'assorbitore. La

pressione più alta comporta che anche la temperatura di equilibrio tra vapore e liquido sia

più elevata; fornendo energia termica alla soluzione il vapore si separa nuovamente e può

ripetere il ciclo frigorifero andando al condensatore, alla valvola di laminazione 2-3 e di

nuovo all'evaporatore ed all'assorbitore. Nello stesso tempo la soluzione che ha liberato il

refrigerante torna all'assorbitore passando per una valvola di laminazione che permette di

mantenere la differenza di pressione tra assorbitore e generatore. La soluzione che va alla

laminazione, 9, riscalda in controcorrente quella che va al generatore realizzando così un

recupero di energia, ma soprattutto contribuendo a mantenere la differenza di temperatura

tra i due apparati.

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Il fabbisogno di energia meccanica della pompa è modesto rispetto all'energia termica

richiesta (1-2%), quindi per il COP si ottiene la stessa relazione delle macchine ad

eiezione. La prima macchina di Le Carré usava acqua e acido solforico. Oggi molto usata

è la coppia LiBr-H2O, dove l'acqua è il fluido frigorigeno, che, oltre al problema del punto

triplo che limita il campo di utilizzazione a temperature superiori a 0°C, può dare problemi

di cristallizzazione infatti:

con conseguenti rischi di blocco per la macchina. Per questi cicli il COP non è alto. Per

innalzarlo si potrebbe considerare la possibilità di produrre più lavoro innalzando la

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temperatura del generatore. A causa della cristallizzazione, per la coppia LiBr, questa ha un

limite massimo legato alla temperatura dell'assorbitore; non resta quindi che migliorare

l'efficacia del sistema di produzione del

vapore. E' quello che si fa nelle macchine

ad assorbimento a due stadi, ottenendo un

miglioramento del COP ed un

peggioramento del rendimento di II

Principio.

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Schema di macchina monostadio a LiBr-

H2O

Sono per lo più piuttosto ingombranti e

di grossa potenza; hanno il problema di

lavorare a bassa pressione, minore di

quella atmosferica.

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Assorbitore

alimentato

direttamente

a gas,

spesso

proposto

anche come

caldaia

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Un'altra coppia di fluidi usata è H2O-NH3, dove la seconda è il fluido frigorigeno. In questo

caso si può scendere sotto 0°C , ovviamente con una riduzione del COP

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Diminuisce anche il rendimento di secondo principio poiché aumenta la temperatura di

alimentazione:

Altre coppie di fluidi sono state studiate ed anche proposte commercialmente, ma al momento

quelle citate sono le uniche due correntemente usate.

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evaporazione t=4.5 °C

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Proiezione sul piano T-s del

diagramma T-s-x per la miscela

H2O-NH3.

Il grafico permette di valutare la

variazione della quantità di

acqua alle varie temperature e

pressioni. Occorre considerare

che la separazione tra i due

fluidi non è molto semplice

causa la ridotta differenza tra le

pressioni parziali.

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Questa è una idealizzazione del ciclo

precedente.

Come si vede sono facilmente individuabili i

due cicli sovrapposti; uno motore, l'altro

frigorifero.

E' possibile compiere un passo ulteriore

pensando di approssimare queste

trasformazioni con dei cicli ideali.

Prima di tutto con dei cicli di Carnot che

abbiano la stessa area, dato che tutto il lavoro

prodotto da uno è assorbito dall'altro.

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E' evidente come la massima efficienza del sistema si abbia con la stessa temperatura al

condensatore ed all'assorbitore. Tuttavia il ciclo di Carnot non è l'unico a scambiare con due

sole sorgenti. Consideriamo quindi due cicli ideali Ericsson rigenerati. Sono cicli a gas, ma si

tratta di impostare un modello ideale con cui confrontare i sistemi reali.

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E' allora possibile ottenere un

doppio ciclo sovrapposto che può

essere percorso da un unico fluido

in varie fasi.

Alle varie trasformazioni

corrispon-dono i componenti dello

schema sottostante.

Il ciclo superiore motore in senso

orario e viceversa l'altro, con le

stesse aree. E' possibile seguire un

8 che chiude i due cicli.

Stiamo sempre considerando il

sistema come un frigorifero e

quindi l'effetto utile è QE

Anche questi sistemi possono

essere visti come pompe di calore

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azionate termicamente. In questa ottica avremo:

COPpc= (QC+QA)/QG = (QG+QE)/QG = 1+ QE/QG = 1+ COPf

esattamente come nel caso dei sistemi a compressione.

La costruzione di un

sistema ideale di

riferimento serve però

anche ad ideare nuove

macchine.

Che succede se

invertiamo il modo di

percorrere i due cicli?

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Considerando cicli Ericson e

ragionando come prima possiamo

pensare di costruire la macchina

con i componenti di figura

assorbendo calore al Generatore e

all'Evaporatore alla temperatura

intermedia TG e cedendolo alla

temperatura più bassa TC avendo

come effetto utile la cessione del

calore QA alla temperatura TA

realizzando così un

TRASFORMATORE DI

CALORE

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In pratica avremo la macchina che segue:

Con un COP reale di circa 0.5 ottenuto come:

COP≈QA/(QG+QE)

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Una macchina ad assorbimento particolare è

quella che segue il cosiddetto ciclo Electrolux,

dalla casa che lo ha commercializzato.

Nel 1922 Baltzar von Platen e Carl Munters,

studenti al Royal Institute of Technology di

Stockholm, svilupparono l'analisi del ciclo a tre

fluidi. Un ciclo simile fu proposto nel1926 da

Albert Einstein e dal suo allievo Leó Szilárd

conosciuto come frigorifero di Einstein mostrato

qui accanto.

Vediamo ora il funzionamento del ciclo

Electrolux.

Si tratta di un sistema che usa H2O, NH3 e H2

mantenendo tutto il sistema alla stessa pressione

ed ottenendo la separazione dei fluidi fornendo

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energia termica nel

riscaldatore (in genere

elettrico od a fiamma) H (in

nero). D è il generatore dove

l'ammoniaca si separa

dall'acqua e fluisce verso il

condensatore R1 subendo un

ulteriore raffreddamento in R2.

Passa poi nell'evaporatore E

dove gassifica in presenza di

idrogeno che resta inerte e

serve solo a mantenere la

pressione totale uniforme e

pari a quella del generatore e

dell'assorbitore A.

La pressione parziale

dell'ammoniaca in E è minore

di quella in D e maggiore di

quella in A. Nell'assorbitore A

l'ammoniaca va in soluzione

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nell'acqua in caduta sui piatti, così da avere grande superficie di contatto; poiché in questa

fase si libera calore, esso viene asportato dal refrigerante R3.

L'acqua ricca di ammoniaca passa nello scambiatore S e poi viene riscaldata da H, che

fornisce calore sia al generatore D per la separazione dell'ammoniaca dall'acqua che alla

pompa a bolle PB, che porta la miscela ricca nel generatore D. La pompa a bolle permette

di salire ad una quota maggiore di A poiché avendo il fluido una minore densità, a causa

delle bolle, è necessaria un'altezza maggiore per fornire alla base della colonna la stessa

pressione.

Questo tipo di ciclo senza parti in movimento è molto silenzioso e perciò diffuso nei

frigoriferi degli alberghi, oltre che in tutte le situazioni in cui è più facile disporre di calore

che di energia elettrica, come ad esempio nelle roulottes.

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