Tecnica del freddo

IAintermittente, quando il moto è anulare

Il rapporto del fattore di sinistra è unitario e si annulla.

Rispetto a modelli completamente empirici, come ad es. quello visto per il capillare, questo modello presenta maggiore affidabilità, anche se il margine di incertezza è sempre ±30%.

Per quanto riguarda i condensatori, valgono sostanzialmente considerazioni analoghe. La differenza fondamentale è che nel caso dell'evaporatore la perdita di pressione per attrito si somma a quella per inerzia dovuta all'accelerazione, mentre nel condensatore si ha un effetto di recupero di pressione dovuto alla decelerazione che compensa l'attrito. Nel condensatore passo dalla densità del vapore a quella del liquido (molto maggiore), la velocità diminuisce; nell'evaporatore il processo è inverso e la velocità aumenta (vedi definizioni di velocità gas e liquido nei condensatori). Le perdite nell'evaporatore sono

maggiori rispetto al condensatore: maggiore velocità e minore densità. 63All'evaporatore dobbiamo aspirare il flusso col compressore, dovrò far lavorare il compressore dipiù. Nel condensatore il fluido decelera e quindi ho un recupero di pressione. Nel condensatore ho il pregio di avere una Tsat maggiore nel caso di una P maggiore. Naturalmente quanto visto vale per condotti a geometria costante. In pratica gli scambiatori di calore hanno spesso vari percorsi in parallelo, serviti da collettori di distribuzione. In presenza di flusso bifase il funzionamento di questi collettori è estremamente difficile da prevedere. Spesso il fluido di lavoro viene parallelizzato. Il liquido, anche se ho una miscela con titolo basso, rappresenta comunque una piccola porzione di volume.

Primo tubo: fase a tappi, la potenza termica sottratta è maggiore rispetto al secondo e soprattutto al terzo.

Secondo tubo: straccetti di liquido e vapore (regime anulare).

Terzo tubo:

ho solo vapore, non raffredda la cella poiché è già vapore (è inutile). Negli scambiatori le perdite di carico sono inevitabili, pertanto in un ciclo reale non avremo mai un'isotermobarica vera e propria, pressione e temperatura vanno a braccetto insieme ma al diminuire della prima diminuisce anche la seconda. Pertanto, all'evaporatore e al condensatore vedremo una pendenza in discesa nel suo verso di percorrenza.

2.8 Recupero perdite laminazione

La perdita di laminazione è sicuramente uno degli aspetti migliorabili dei cicli frigoriferi convenzionali, anche se di norma i benefici che ne derivano non valgono la spesa in termini di complessità, costo e necessità di manutenzione. Innanzi tutto, è bene individuare i casi in cui la perdita è più rilevante.

Nel diagramma in figura (R134a) si evidenzia in rosso la perdita. L'area 4567 equivale a quella 234. Infatti, il tratto 23 di curva limite inferiore coincide con

L'isobara e quindi: h3 - h2 = area(1235). L'area 1267 invece mostra il calore scambiato lungo l'isotermobarica 2-6, quindi: h6 - h2 = area(1267).

Se scomponiamo i fattori:

• h6 - h2 = area (1267) = area (1245) + area (4576)
• h3 - h2 = area (1235) = area (1245) + area (234)

Ma l'espansione è isoentalpica, per cui h6 = h3. Quindi area (4576) = area (234).

La perdita di laminazione è quindi elevata quando il triangolo evidenziato in verde è grande, il che avviene quando il punto 3 è vicino al punto critico e la T di evaporazione è bassa. Conviene quindi sempre scegliere fluidi refrigeranti con punto critico alto rispetto alla temperatura di condensazione. La CO2 quindi è sfavorita, specie in climi caldi e per refrigerazione a bassa temperatura.

Abbiamo già visto una tecnica di riduzione di questa perdita tramite la rigenerazione, che aumenta il titolo di fine espansione tramite un sotto-raffreddamento del fluido uscente.

Dal condensatore o dal gas-cooler. Naturalmente occorre una sorgente termica a temperatura inferiore a quella dell'ambiente alla quale scaricare il calore. Nel caso della rigenerazione tale sorgente è il vapore all'aspirazione del compressore.

In certi casi è presente un vero e proprio ciclo frigorifero ausiliario per raffreddare il liquido uscente dal condensatore. Ci sono però anche altre opzioni.

Se è presente un separatore di liquido, esso separa il liquido per gravità dalla miscela bifase. Il liquido privato del vapore ha una potenzialità frigorifera molto maggiore. Resta il problema di smaltire la portata di vapore (flash gas). Consente di migliorare la potenza frigorifera ma bisogna stare attenti a non sovraccaricarlo troppo. La presenza di un separatore di liquido si coniuga bene con una compressione a due stadi.

Buttando vapore dal ciclo bottom nella zona liquida dell'economizzatore mi permette di ottenere un desurriscaldamento.

Così come immetto il liquido dell'evaporatore top dall'alto così che si mescoli con la fase gassosa. Un possibile schema è quello con compressore ausiliario. La portata uscente dal gas cooler subisce una prima laminazione e va ad un separatore di liquido. Il gas che si separa (flash gas) viene inviato nuovamente al gas cooler tramite il compressore ausiliario. Si può anche inserire un rigeneratore per ottenere un sottoraffreddamento all'uscita dal condensatore. Ho una prima laminazione dopo il rigeneratore a valle del G-C. Dopo il separatore, il gas passa dal rigeneratore e diventa ancora più secco (si riscalda) mentre il liquido segue una seconda laminazione ed entra nell'evaporatore. Il gas surriscaldato viene compresso da un compressore ausiliario fino alla pressione di mandata. Una generalizzazione del concetto su cui si basa l'utilizzo di due compressori ed un economizzatore è il ciclo in cascata, nel quale i fluidi operanti nei

due stadi sono diversi, così da ottimizzare ciascun fluido rispetto al campo di temperatura in cui opera. Nel concreto, al posto dell'economizzatore è posto uno scambiatore di calore che fa da evaporatore per il ciclo superiore e da condensatore per il ciclo inferiore. È utile per raggiungere temperature basse con un'efficienza più elevata, per esempio un ciclo top ad ammoniaca e uno bottom a CO2. Una strada completamente diversa affronta direttamente il problema della perdita di laminazione sostituendo la valvola con un espansore meccanico. Ovviamente una scelta del genere si giustifica solo per macchine di grande taglia. Un esempio entrato in produzione è il chiller con turbina di espansione Carrier 19XT, prodotto nel 1995 per grossi impianti di condizionamento (1000 – 2000 kW frigoriferi). La turbina, accoppiata direttamente al motore elettrico, azionava il compressore centrifugo con un ingranaggio moltiplicatore. Attualmente non è

più in produzione. Misure sperimentali (Hays e Brasz, 1996) hanno determinato una efficienza di espansione del 55% che non giustifica il costo più elevato dell’impianto rispetto ad una valvola.

Altro esempio è il cosiddetto Expressor, in cui l’espansore è a vite. In questo caso, vista la difficoltà di progettare la macchina di espansione e quella di compressione con uguale velocità di rotazione, si è preferito accoppiare l’espansore ad un piccolo compressore per la gestione del vapore di flash, in modo da diminuire il titolo in ingresso all’evaporatore. Qui però la compressione del vapore di flash non assorbe potenza elettrica, come nello schema prima visto, ma usa potenza di recupero (quella dell’espansore).

Il principale problema nel cercare di recuperare l’energia di pressione che si va a perdere con una laminazione è che il fluido di lavoro è bifase, con forti differenze di densità.

aumenta la velocità) che aziona il compressore, il quale "comprime" il fluido trascinato dall'evaporatore abassa pressione che diffonde quindi rallenta. Il tutto viene miscelato a valle del turbocompressore" Il rendimento di questo oggetto è inferiore rispetto ad uno schema classico ma più facile da realizzare e a costi nettamente inferiori.

Un flusso motore viene accelerato in condizioni supersoniche e quando viene in contatto con una corrente lenta (dello stesso fluido) trascina quest'ultima attraverso un tubo di venturi. Il flusso motore proviene dal condensatore, quindi liquido ad alta pressione. Il liquido, espandendo dentro un ugello (considerabile come un'espansione isoentropica) entra dentro la zona bifase. Abbiamo una miscela bifase che non va a intaccare le caratteristiche dell'eiettore come accade nel caso di una turbina cavitante. Fuori dall'ugello in cui il flusso supersonico si trova in un ambiente a pressione

molto inferiore (pressione dell'evaporatore), si creano delle onde d'urto oblique.Il flusso trascinato proviene dall'evaporatore, quindi a bassa pressione. Successivamente allamiscelazione dei due flussi si ha un diffusore in cui il flusso rallenta e si ha un recupero dipressione.Il flusso a bassa pressione viene aspirato da flusso ad alta pressione portato in condizionisupersoniche. Si ottiene in uscita dall'eiettore una pressione intermedia fra la pressionedell'evaporatore e del condensatore. Il separatore di liquido è necessario poiché in uscitadall'eiettore abbiamo un fluido bifase.La compressione partirà da una pressione più alta e quindi avrò risparmiato il lavoro dicompressione. Tale energia è recuperata dalla fase di laminazione che, se fosse fatta con un tubocapillare, avrei solamente una perdita di pressione senza sfruttare tale espansione.Da 9 a 5 la pressi