Appunti Tecnica del freddo - Quarta parte

TECNICA DEL FREDDO PT 4

CRIOGENIA

Con la criogenia si tende ad andare a T molto basse anche -160 esistono

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problematiche legate alla liquefazione. Per questi fluidi (come metano, azoto,

idrogeno, elio…) è riportato il punto di ebollizione che è molto basso (per elio

vicino a zero assoluto). Esistono due metodi per liquefare i gas:

1. Sistemi dove il fluido frigorigeno è lo stesso fluido da liquefare (ciclo

Linde, Claude)

2. Sistemi dove il fluido è diverso dal fluido da liquefare (cicli in cascata)

La problematica principale di queste applicazioni è quella di avere un COP di

Carnot buono perché questo diminuisce rapidamente al diminuire della T.

Il parametro che permette di confrontare le prestazioni di diversi sistemi per la

liquefazione dei fluidi è: compreso fra 0 e 1. Questo parametro ci dà

informazioni su come la macchina lavora ed equivale al rapporto tra il lavoro

minimo e il lavoro reale necessari per portare il fluido dalle condizioni ambiente

alle condizioni di liquido saturo alla stessa pressione. A temperatura ambiente il

gas ha un exergia nulla il lavoro minimo coincide col contenuto exergetico a

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bassa temperatura

CICLO LINDE

Il ciclo Linde nasce come il primo sistema su scala industriale per la

liquefazione dell’aria.

Da 1 a 2 si ha una compressione quasi isoterma che garantisce il lavoro minimo

e che viene approssimata da una compressione asta di multipli con

refrigerazione intermedie e posta refrigerazione finale. Da 2 a 3 abbiamo uno

scambiatore rigenerativo con superficie finita. Qui il gas a bassa pressione esce

a T<T1. Tra 3 e 4 c’è una laminazione isoentalpica che porta alla formazione di

liquido saturo a Patm che viene poi spillato e usato. Il vapore, invece, dopo aver

raffreddato la corrente ad alta pressione nel rigeneratore, ritorna al

compressore.

Facendo un bilancio entalpico sulla superficie tratteggiata ottengo:

Se definiamo la frazione liquefatta come: ; ottengo

liquido solo se Zl > 0. si vede che la frazione liquefatta è tanto maggiore

quanto maggiore è la differenza h7-h2. Tale differenza dipende dalla p2 una

volta fissato che T2=T1. Per ragioni di efficienza ci si limita a p2=200 bar

Le prestazioni per questi cicli non sono ottimali, infatti, la laminazione presenta

una grossa irreversibilità.

Temperatura di inversione

Il ciclo si avvia e riparte solo se durante la laminazione il gas si raffredda. Il che

non avviene per tutti i gas. Vale a dire che, solo se nella laminazione a Tamb si

ha un pur limitato raffreddamento del gas si può innescare il regime transitorio

di funzionamento dell'impianto con raggiungimento finale delle condizioni di

regime.

VALVOLA DI LAMINAZIONE

La valvola di laminazione è un semplice componente che riduce e controlla la

pressione di una corrente fluida in un condotto. Più la valvola è ch