Appunti di termodinamica

Ciclo inverso di compressione a vapore ideale

Il COP aumenta del 2-4% per ogni grado Celsius di differenza tra T+ e T-

Il ciclo inverso di Carnot è difficilmente realizzabile per i motivi:

1. processi isotermi di scambio difficili da realizzare perché per un sistema bifasico p=cost vuol dire T=cost
2. il compressore e la turbina trattano difficilmente fluidi bifasici

Le difficoltà del ciclo inverso di Carnot possono essere superate vaporizzando completamente il refrigerante prima che sia compresso e sostituendo l'espansione in turbina con un processo di laminazione in una valvola (isoentalpica).

Il processo consiste di 4 trasformazioni. Il refrigerante entra nel compressore come vapore saturo nello stato 1 e viene compresso isoentropicamente fino alla pressione del condensatore. Successivamente il refrigerante entra nel condensatore come vapore surriscaldato nello stato 2 ed esce.

Seguito della cessione di calore verso il pozzo termico, come liquido saturo nello stato 3. In questo stato il refrigerante viene laminato abbassando la temperatura al di sotto della temperatura dell'ambiente refrigerato. Il refrigerante entra poi nell'evaporatore nello stato 4, come miscela satura di liquido e vapore a basso titolo, ed evapora completamente assorbendo calore dall'ambiente refrigerato. Infine, il refrigerante che esce dall'evaporatore come vapore saturo torna nel compressore per ripetere il ciclo.

Q_h - h_COP = 1-4

iFL h - h₂ 1

Q_h - h_COP = 2-3

PdCL h - h₂ 13-4

> valvola di laminazione (irrev)

3-4' > turbina (i benefici non sono ripagati dalla complessità della turbina e dai suoi costi)

Ciclo ad assorbimento

Il ciclo ad assorbimento sfrutta il calore di dissoluzione di un soluto in un solvente che viene ciclicamente concentrato e diluito. Il ciclo ad assorbimento non ha

particolare efficienza (0,5­0,7%) ma consente il raggiungimento di temperature particolarmente basse, fino a -60 °C con ammoniaca come refrigerante e acqua come assorbente.

La macchina ad assorbimento opera conservando i processi di condensazione, laminazione ed evaporazione del ciclo a compressione di vapore; al compressore viene invece sostituito un complesso costituito da un assorbitore ed un generatore.

Il vapore a bassa pressione uscente dall'evaporatore passa nell'assorbitore dove viene attratto da una sostanza "spugna" che inizialmente ne è priva. Una volta che è stata arricchita, passa tramite una pompa al generatore, che funziona inversamente all'assorbitore: esso assorbe calore per generare vapore ad alta pressione che viene poi inviato al condensatore; la sostanza assorbente adesso povera di vapore viene reinviata all'assorbitore.

Le principali soluzioni impiegate in questo tipo di macchine sono acqua-ammoniaca e

acqua­bromuro dilitio. L'acqua distillata ha il pregio di essere stabile, non tossica, di facile reperibilità e di alto calore latente. La sostanza assorbente bromuro di litio è un sale cristallino con alta affinità per l'acqua, non tossica e con alto punto di ebollizione. Per questo tipo di macchina c'è bisogno di 3 sorgenti:

1. sorgente che fornisce calore ad alta temperatura al generatore (120°C)
2. sorgente che fornisce calore a più bassa temperatura all'evaporatore (0°C) (p~610 Pa)
3. sorgente che preleva calore dall'assorbitore e dal condensatore (40°C)

Per questo motivo è adatta all'affiancamento di sistemi che utilizzano cicli a vapore con recupero del calore in uscita dalla turbina (trigenerazione).

Fluidi refrigeranti

Le proprietà che un fluido refrigerante deve avere per essere utilizzato in una macchina frigorifera sono:

• Alta stabilità
• Buon coefficiente di scambio

termico per dissipare il calore prodotto durante il processo di refrigerazione. Le torri di raffreddamento sono costituite da una struttura a forma di torre, all'interno della quale si trovano degli scambiatori di calore. L'acqua calda proveniente dall'impianto viene fatta passare attraverso gli scambiatori di calore, dove cede il calore all'aria che circola all'esterno della torre. In questo modo, l'acqua si raffredda e può essere riutilizzata nell'impianto. Le torri di raffreddamento sono un componente essenziale degli impianti a ciclo termico e contribuiscono in modo significativo all'efficienza del processo di refrigerazione.

vapore come scambiatore di calore gas-liquido, nel quale la fase liquida cede energia alla fase gassosa, riducendo così la sua temperatura. Questi tipi di scambiatori permettono di ridurre di 1/60 la portata d'acqua necessaria al raffreddamento nel caso fosse stato utilizzato il sistema ad acqua fluente. Esistono due tipi di torre:

• Torre di raffreddamento a circolazione forzata (ventilatore spende lavoro per mantenere in circolo l'aria)
• Torre di raffreddamento a flusso indotto (sfruttano la differenza di densità della miscela aria-vapore acqueo, la loro forma è a scopo strutturale e funzionale)

Principio di funzionamento: L'acqua dispersa nella parte superiore della torre, e quindi cadente verso il basso, viene a contatto con l'aria, indotta a salire dal ventilatore o dalla differenza di densità. Si ha quindi un trasferimento di massa dalle gocce d'acqua verso l'aria, dovuto all'umidificazione dell'aria stessa.

che non è satura in vapore. Questo trasferimento di massa è di tipo evaporativo​, quindi l'acqua cede energia​ all'aria in modo sostanzialmente​ ​isotermico per l'aria, ma con cessione, e quindi con raffreddamento, da parte dell'acqua. Questa esce quindi ad una temperatura inferiore a quella di ingresso. Si noti che la condizione essenziale per il funzionamento è la non saturazione dell'aria (in vapore acqueo); ne consegue che la torre non potrà funzionare (o quasi) in caso di aria satura (ad esempio in un giorno di pioggia). 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 (la torre in questo caso si comporterebbe come un saturatore adiabatico). In una torre a secco la temperatura minima di uscita dell'acqua è invece uguale a quella di bulbo asciutto dell'aria in ingresso e quindi (tranne.nel caso d'aria satura) superiore alla precedente. È possibile definire l'efficienza (ε) di una torre di raffreddamento ad umido come il rapporto tra la potenza termica effettivamente sottratta all'acqua e quella massima sottraibile teoricamente. MISCELE GAS VAPORE E CONDIZIONAMENTO DELL'ARIA L'aria è una miscela di azoto, ossigeno e di piccoli quantitativi di altri gas, mentre l'aria atmosferica contiene anche vapore d'acqua (umidità). Se l'acqua non contiene vapore viene definita secca. La quantità di vapore d'acqua contenuta nell'unità di massa di aria secca viene definita umidità assoluta o anche titolo dell'aria umida) e indicata col simbolo x: mx kg kg= ( / )v H O aria secca ma 2. Quando l'aria non è più in grado di contenere altro vapore d'acqua si dirà che è satura. In queste condizioni qualunque ulteriore

quantità di vapore d'acqua aggiunta all'aria condenserà. La quantità di vapore d'acqua contenuta nell'aria ha effetto sul benessere delle persone, ma il livello di benessere dipende principalmente dalla quantità di vapore che l'aria contiene rapportato alla massima quantità che essa potrebbe contenere alla stessa temperatura. Il rapporto tra queste due grandezze si chiama umidità relativa U.R.: U.R. = (v/vs)(T)

Si noti che poiché la quantità di vapore contenuta nell'aria varia con la temperatura, l'umidità relativa dell'aria varia anche se rimane costante il suo titolo.

Temperatura di rugiada T: temperatura alla quale inizia la condensazione quando si impone all'aria un raffreddamento isobaro. In altre parole, è la temperatura di saturazione dell'acqua alla pressione parziale del vapore.

La temperatura di saturazione adiabatica è una

Proprietà termodinamica dell'aria umida

Essa corrisponde alla temperatura raggiungibile da una miscela liquido-vapore nel caso in cui si giunga alle condizioni di saturazione attraversando una trasformazione adiabatica.

Il valore di umidità relativa e assoluta viene ricavato tramite il psicrometro, uno strumento formato da due termometri a bulbo di cui uno avente un rivestimento di garza imbevuto d'acqua sul quale viene inviata una corrente d'aria. L'aria, non satura, attraversando la garza di cotone bagnata, fa evaporare l'acqua, cedendo calore sensibile. La temperatura diminuisce e quando si stabilizza sul termometro si legge la temperatura di bulbo umido T. Il confronto tra le temperature a bulbo umido e a bulbo secco (termometro normale) sul diagramma psicrometrico consente di calcolare l'umidità relativa tramite l'isoentalpica tracciata da T.BU. I diagrammi che

forniscono le condizioni dell'aria umida si chiamano diagrammi psicrometrici e vengono molto utilizzati nel dimensionamento degli impianti di condizionamento dell'aria. Sull'asse delle ascisse è riportata l'umidità assoluta, su quello delle ordinate la temperatura di bulbo secco. Il diagramma psicrometrico rappresenta un valido aiuto nella visualizzazione delle trasformazioni necessarie nel condizionamento dell'aria. Su questo diagramma una normale trasformazione di riscaldamento o