Appunti completi Impianti di conversione dall'energia

TORRI EVAPORATIVE

Le torri evaporative sono componenti che possiamo ormai trovarci in ogni ambito (sia civile

che industriali). 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 e danneggiare 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 (l’entalpia è funzione della

temperatura) dove 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 ed 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

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:

1. Devono essere chimicamente stabili

2. Non devono reagire con i materiali con cui vengono a contatto

3. Bassa tendenza ad assorbire acqua

4. Buone caratteristiche di trasmissione del calore

5. Non siano pericolosi o dannosi per l’ambiente

La pressione varia dai 30 ai 60 bar

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 CO è notevolmente cresciuta La politica energetica

2 .

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 future tecnologie 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 composto da quattro segmenti distinti (Produzione,