Appunti completi Impianti di conversione dall'energia

Torri evaporative

Le torri evaporative sono componenti che possiamo ormai trovare in ogni ambito, sia civile che industriale. Sono applicate dove non è presente un pozzo freddo di acqua disponibile per smaltire grandi quantità di calore. Quando condensiamo possiamo attingere al mare, che rimane a una T costante tutto l’anno, a differenza di un fiume o un lago che invece andrei a scaricare a temperatura più alta, danneggiando l'ecosistema. Se non posso condensare con acqua, devo condensare con aria, col problema però che la temperatura è molto variabile nelle stagioni.

Quindi uso le torri evaporative dove raffreddo il circuito secondario andando a condensare con acqua e raffreddando quest’ultima con aria umida. Questo mi permette di condensare un circuito di raffreddamento primario con acqua che sarà raffreddata nel circuito secondario. L’acqua viene quasi tutta reintegrata.

Miscela aria vapore

L’aria è composta da azoto, ossigeno e argon. Generalmente si parla di aria umida se ha quantità di vapore d'acqua, altrimenti si parla di aria secca. L’aria può essere trattata come una miscela di gas perfetti, dove l’entalpia è funzione della temperatura, e la pressione è la somma della pressione relativa dell’aria secca e del vapore.

Il titolo di aria umida (umidità specifica x) è: L’umidità specifica è adimensionale ma in alcuni casi è espressa come e deve essere divisa per 1000 prima di effettuare calcoli. La temperatura di rugiada è la T dove inizia la condensazione quando l’aria si raffredda a pressione costante. La temperatura di bulbo umido è la T misurata con un termometro il cui bulbo è ricoperto con una garza bagnata e esposto a corrente d’aria.

La torre di raffreddamento può essere vista come una scatola chiusa, potendo così fare un bilancio di massa e di energia. (Wt, Wm sono la potenza termica e meccanica)

Torri evaporative

Nel processo di conversione dell’energia termica in energia meccanica degli impianti termoelettrici è necessario smaltire grandi quantità di calore. Si fa quindi uso delle torri di raffreddamento che possono essere a secco (senza contatto tra il fluido motore dell’impianto e la corrente d’aria esterna) o a umido (dove il fluido motore dell’impianto, acqua calda, entra in contatto con l’aria).

L’aria entra dal basso e risale la torre di raffreddamento, mentre l’acqua esce dagli ugelli spruzzatori e scende attuando uno scambio di calore in controcorrente. Il bacino di raccolta ha uno spurgo per limitare la concentrazione di sali disciolti e un reintegro d’acqua. L’acqua, infatti, contiene una certa quantità di sali disciolti in soluzione. Questi possono provocare incrostazioni e formazione di calcare nei tubi. Bisogna quindi prevedere uno spurgo per limitare la concentrazione di sali.

Possiamo far circolare l’aria a tiraggio naturale o a circolazione forzata. La temperatura minima alla quale si può avere l’acqua in uscita dalla torre evaporativa è la temperatura di bulbo umido dell’aria umida in ingresso. Vedi esempi esercizi sulle slide.

Impianti frigoriferi

Si parla di refrigerazione quando ci troviamo a una temperatura al di sotto di quella ambientale. Il calore viene sottratto a un corpo e trasferito a un corpo a temperatura più basse. Il fluido refrigerante che circola nei circuiti frigoriferi è fondamentale per garantire efficienza.

Il calore viene asportato attraverso due processi: espansione del fluido refrigerante attraverso una valvola di laminazione; espansione del fluido refrigerante attraverso un salto di pressione. Il ciclo frigorifero è un ciclo inverso dove si assorbe lavoro e si preleva calore dalla sorgente fredda e si cede alla sorgente calda (ora corretto!).

Le prestazioni vengono valutate dal coefficiente di prestazione (COP). Si parla anche del COP di Carnot. I sistemi che realizzano cicli frigoriferi sono: compressione di vapore e compressione di gas. Le macchine frigorifere sono classificate: a compressione, ad assorbimento, ad effetto termoelettrico, a termocompressione.

Funzionamento del circuito frigorifero

Il fluido frigorifero evapora nell’evaporatore assorbendo calore dall’aria ambiente, il gas entra nel condensatore dove viene assorbito il calore latente condensandolo e trasformandolo in liquido e torna nell’evaporatore. Nel condensatore si usa un compressore che fa innalzare la T di condensazione. Completa il ciclo una valvola di laminazione verso l’evaporatore.

Il ciclo frigorifero a compressione è utilizzato nella maggior parte delle macchine frigorifere e nei condizionatori. Si produce un trasferimento di calore dal fluido da raffreddare verso l’atmosfera o l’acqua proveniente da una torre di raffreddamento. Il circuito frigorifero è composto da: evaporatore, compressore, condensatore, organo di laminazione.

Nell’evaporatore, il refrigerante assorbe calore dall’aria ambiente da raffreddare e viene portato al punto di ebollizione a bassa temperatura. Il refrigerante sotto forma di gas esce alla temperatura di ebollizione dall’evaporatore e viene sottoposto a un incremento di T per avere un leggero surriscaldamento (per non avere liquido). Il gas viene aspirato dal compressore e al suo interno subisce aumento di pressione e temperatura. Il gas raccoglie il calore del motore elettrico del compressore stesso raffreddandolo. Il gas esce dal compressore diretto verso il condensatore (dove torna allo stato liquido). Il calore assorbito dall’ambiente da raffreddare, più l’equivalente termico del lavoro di compressione, viene smaltito in atmosfera. Passa per la valvola di laminazione dove la pressione diminuisce ed entra nell’evaporatore.

Dentro l’evaporatore si completa l’evaporazione del refrigerante stesso per effetto del calore sottratto all’aria (o all’acqua) che lo attraversa e che viene raffreddata. Il circuito frigorifero è diviso in due zone: una a bassa pressione, fredda (che include la valvola, l’evaporatore); e una ad alta pressione, calda (il condensatore, la linea che unisce condensatore e compressore).

L’efficienza dipende da T di evaporazione e T di condensazione: più è alta la T di evaporazione e bassa la T di condensazione maggiore sarà l’efficienza del ciclo. Nelle applicazioni industriali si fa ricorso a un compressore con un numero maggiore di stadi per aumentare la refrigerazione e quindi il COP; così come si utilizzano cicli frigoriferi a cascata con due o più cicli frigoriferi: l’intero sistema si compone di due distinti circuiti detti di alta temperatura e di bassa temperatura, connessi termicamente tramite uno scambiatore di calore detto condensatore di cascata. Quest’ultimo funge da evaporatore per il circuito ad alta temperatura e da condensatore per il circuito a bassa temperatura.

I fluidi frigorigeni sono i fluidi usati negli impianti frigoriferi (principalmente sono tutte sostanze artificiali). Questi devono avere come caratteristiche:

• Devono essere chimicamente stabili
• Non devono reagire con i materiali con cui vengono a contatto
• Bassa tendenza ad assorbire acqua
• Buone caratteristiche di trasmissione del calore
• Non siano pericolosi o dannosi per l’ambiente

La pressione varia dai 30 ai 60 bar.

Componentistica

Vediamo la componentistica:

• Compressore: compressore alternativo (più utilizzato, rumoroso); compressore scroll (elevato rendimento volumetrico, elevato COP, basso rumore); compressore a vite (lunga durata, elevata affidabilità)
• Condensatore ad aria; ad acqua
• Evaporatore ad aria; ad acqua
• Il filtro deidratatore elimina l’umidità che si può formare all’interno del circuito, la quale lo corrode e può otturare la valvola di laminazione
• La spia del liquido si trova a monte della valvola di laminazione e permette di controllare se la carica è sufficiente. Questa contiene anche un indicatore di umidità.

Transizione energetica contesto internazionale

Un paese, che può essere visto come un sistema, produce o importa energia per soddisfare, grazie agli impianti di conversione dell’energia, una domanda di servizio. Tali domande di servizio sono soddisfatte da pochi vettori energetici (ovvero composti in grado di veicolare energia da una forma a un’altra) tra cui il principale è l’elettricità, che risulta essere il più pregiato. Altri sono acqua calda, acqua fredda, vapore, aria calda, energia meccanica, gas e carburanti.

Lo stesso vettore energetico può essere prodotto da differenti impianti di conversione dell’energia, determinando il mix di energia primaria. Un impianto di conversione energetica è quindi quell’impianto che, presa energia primaria, la trasforma in un servizio voluto. La domanda di servizio si traduce in una domanda dei principali vettori energetici (il più utilizzato è oil insieme a elettricità e gas naturale). I settori che fanno maggiormente uso di energia sono il terziario, residenziale e industriale. L’energia primaria (come viene prodotto il vettore energetico quindi) è maggiormente petrolio e carbone. L’unità di misura è il Gtoe, la tonnellata equivalente di petrolio, per mettere a confronto le diverse energie che hanno unità di misura differente.

L’efficienza energetica negli ultimi anni è aumentata seppure ci siano settori hard to abate. La produzione di CO₂ è notevolmente cresciuta. La politica energetica internazionale è stata modificata dagli accordi di Parigi entrati in vigore il 4 novembre 2016, che hanno incentivato l’uso delle rinnovabili e stabilito che la temperatura globale non debba aumentare di più di 2 gradi, il tutto senza cambiare lo stile di vita dei cittadini.

L’elettrificazione poi è importante dato che quasi 800 milioni di persone non hanno accesso a energia elettrica e ¼ degli ospedali non è raggiunto da elettricità. In futuro, tecnologie future permetteranno di ridurre gli sprechi mediante la digitalizzazione degli impianti (impostare il termometro da remoto) o lo stoccaggio dell’idrogeno, che permetterà di avere energia pulita.

In Italia, invece, si parla di “Piano Nazionale Integrato per l’Energia e il Clima”. La fornitura italiana totale di energia è prevalentemente di petrolio e gas, anche se con i vari incentivi le fonti rinnovabili stanno prendendo sempre più piede.

Infrastruttura elettrica

L’infrastruttura energetica, il cui mercato è stato progressivamente liberalizzato a partire dal 1999, è composta da quattro segmenti distinti (Produzione, ...)