Criogenia e Tecnica del Freddo - Prof Silvi - Appunti di Fabio Galizia

T,

efficienze di primo e di secondo principio al variare della temperatura T.

6B. Dato un ciclo inverso di Carnot, spiegare quali sono i vantaggi e gli svantaggi che

si ottengono quando si sostituisce l’espansione isoentropica con una espansione di

Joule – Thomson.

Corso di Laurea Magistrale

in

Tecnica del Freddo e Criogenia

Prof. Chiara Silvi

Appunti di

Fabio Galizia

Lezione 23

Domande esame 2

TECNICA DEL FREDDO E CRIOGENIA – DOMANDE DI ESAME_2

A.A. 2015-16

21/4/2016

VI RACCOMANDO DI UTILIZZARE SEMPRE LA RAPPRESENTAZIONE GRAFICA DI SCHEMI,

CICLI, TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE. DISEGNATE BENE. SCRIVETE I BILANCI

ENERGETICI ED EXERGETICI CHE SERVONO PER SOSTENERE LE VOSTRE RISPOSTE. SIATE

SINTETICI: RICORDATEVI CHE ALL’ESAME AVRETE SOLO UN’ORA DI TEMPO. SIATE CHIARI E

ORDINATI: QUELLO CHE NON SI CAPISCE NON SI PUO’ CORREGGERE, OPPURE SI PUO’

FRAINTENDERE.

2A. Disegnare lo schema funzionale di una macchina frigorifera a compressione di

vapore.

Rappresentare nei diagrammi (P,h) e (T,s) il ciclo con sottoraffreddamento al

condensatore, surriscaldamento all’evaporatore e compressione non isoentropica

(trascurando le perdite di carico negli scambiatori di calore).

Rappresentare l’area che rappresenta il lavoro perso nei vari componenti e l’exergia

ottenuta, spiegando come si ricavano.

3A. Rappresentare lo schema funzionale di una macchina frigorifera a compressione di

vapore.

Tracciare nei diagrammi (P,h) e (T,s) il ciclo che si realizza con una miscela zeotropica

(che cosa è? Fornire un esempio).

Illustrare il comportamento del ciclo, con riferimento alle caratteristiche e gli eventuali

vantaggi e svantaggi del fluido impiegato.

Spiegare quali sono gli effetti combinati dello slittamento di temperatura e delle

perdite di carico negli scambiatori.

4A. Rappresentare lo schema funzionale di una macchina frigorifera a compressione di

vapore utilizzata per raffreddare a pressione costante una portata d’acqua (chiller) da

a una temperatura T . Rappresentare nei diagrammi (P,h) e (T,s)

una temperatura T fin fus

il ciclo che si ottiene (trascurando le perdite di carico negli scambiatori).

Rappresentare poi nel diagramma (T,s) il lavoro perso nell’evaporatore a) quando si

trascurano le perdite di carico, b) quando si considerano le perdite di carico. Spiegare

il metodo adottato e giustificarlo dal punto di vista termodinamico.

5A. Disegnare lo schema funzionale di una macchina frigorifera a compressione di

e una sorgente a temperatura

vapore che funziona tra l’ambiente a temperatura T

T 0 L

< . Rappresentare il ciclo nei diagrammi (P,h) e (T,s) nei due casi seguenti: a)

T 0

quando si trascurano le perdite di carico, b) quando si considerano le perdite di carico.

Ricavare nei due casi le aree che rappresentano i lavori persi nel condensatore e

nell’evaporature.

6A. Disegnare lo schema funzionale di una macchina frigorifera a doppia compressione

di vapore e rappresentare il ciclo nei diagrammi (P,h) e (T,s).

In quali circostanze si può rendere necessario realizzare un impianto frigorifero con

ciclo a doppia compressione? Spiegare come si modificano le prestazioni rispetto a un

ciclo a semplice compressione che realizza lo stesso effetto utile. Confrontare le

efficienze di primo e secondo principio.

Spiegare come si deve procedere per determinare la pressione intermedia che rende

massima l’efficienza del ciclo a doppia compressione reale.

7A. Disegnare lo schema funzionale di una macchina frigorifera a compressione di

vapore con cicli in cascata.

In quali circostanze si può rendere necessario realizzare un impianto frigorifero con

cicli in cascata?

Con riferimento a un impianto con due soli cicli (ciclo top e ciclo bottom), spiegare

come si deve ragionare per la scelta dei fluidi e come si determinano le temperature

ottimali dei fluidi nello scambiatore intermedio.

7B. Spiegare quali sono i vantaggi e gli svantaggi del sottoraffreddamento al

condensatore e del surriscaldamento all’evaporatore in un ciclo inverso a

compressione.

8B. Spiegare quali sono le caratteristiche che devono presentare i fluidi frigorigeni:

proprietà chimico – fisiche e termodinamiche.

9B. Fluidi frigoriferi: illustrare le famiglie dei fluidi naturali e dei fluidi sintetici e la loro

codifica secondo l’ASHRAE. come fluido

10B. Illustrare quali sono i vantaggi e i problemi legati all’uso della CO 2

frigorifero; rappresentare un ciclo transcritico nel diagramma di stato spiegando come

si scelgono i capisaldi del ciclo.

11B. Spiegare qual è la differenza tra un compressore ermetico e un compressore

aperto; discutere le circostanze in cui si rende obbligatoria la scelta di ciascuna

tipologia.

12B. Spiegare perché non si utilizza l’acqua nei cicli inversi a compressione di vapore.

13B. Illustrare sinteticamente i vantaggi e gli svantaggi dell’uso delle sostanze naturali

nei cicli inversi a compressione.

14B. Illustrare le caratteristiche termodinamiche delle miscele zeotropiche e spiegare

quali problemi occorre affrontare quando si utilizzano come fluidi operativi nelle

macchine con cicli inversi a compressione.

15B. Spiegare cos’è una miscela azeotropica e disegnare sul diagramma (T,s) un

esempio di ciclo termodinamico inverso a compressione che la utilizza come fluido

operativo.

16B. Illustrare quali sono i problemi di compatibilità ambientale dei fluidi frigorigeni,

con riferimento ai Protocolli di Montreal e di Kioto e alle loro conseguenze sull’utilizzo

di questi fluidi negli impianti.

17B. Spiegare in cosa consiste il processo di depauperamento dell’ozono stratosferico;

definire l’indice ODP che si utilizza per quantificare la pericolosità di un fluido per

quanto riguarda questo fenomeno (fornire anche un’indicazione sul suo campo di

valori numerici) e illustrare le misure che si devono attuare per arginare la distruzione

dell’ozono.

18B. Spiegare come contribuiscono i fluidi frigoriferi all’effetto serra antropogenico.

Definire gli indici GWP e TEWI, spiegando quali sono i fenomeni che intervengono nel

determinarne l’entità. Fornire un esempio degli ordini di grandezza dell’indice GWP per

alcuni fluidi frigoriferi naturali e sintetici normalmente utilizzati negli impianti.

19B. Problemi legati alla sostituzione dei CFC, HCFC e HFC. Nuovi fluidi frigoriferi a

basso GWP, le HFO: spiegare cosa sono e perché danno origine a un effetto serra più

contenuto. Illustrare quale sarà la loro principale applicazione impiantistica, motivando

la risposta.

20B. Spiegare in quali circostanze si rende necessario utilizzare un ciclo a doppia

compressione e come si ottimizza la pressione intermedia.

21B. Spiegare in quali circostanze si rende necessario utilizzare una macchina con cicli

in cascata e quali sono i criteri di scelta dei fluidi operativi.

22B. Spiegare che differenza c’è tra il funzionamento di una macchina a doppia

compressione e quello di una macchina con cicli in cascata, a parità di temperature

delle sorgenti.

23B. Per un impianto con cicli in cascata, illustrare come varia l’efficienza complessiva

in funzione delle efficienze dei singoli cicli. Sulla base del risultato, spiegare, per un

impianto con due cicli (top e bottom), come si determinano la temperatura di

condensazione del ciclo bottom e la temperatura di evaporazione del ciclo top.

Problemi:

1. Glide: durante la fase di evaporazione e condensazione la temperatura

non si mantiene costante ma varia determinando temperature di uscita

dagli scambiatori differenti.

2. Controllare temperatura uscita degli scambiatori.

3. Frazionamento:Durante il cambiamento di fase, il liquido e vapore che

si determinano hanno composizioni diverse. In caso di fuga del fluido

dalla macchina frigorifera è impossibile ripristinarlo perché non si sa

che composizione è rimasta nella macchina. Se cambia la

composizione della miscela, si da luogo a temperature di saturazione

diverse, quindi tutti i diagrammi di stato cambiano. Ecco perché le

miscele zeotropiche si possono usare SOLO con compressori ermetici.

È possibile che se uno dei componenti è infiammabile la miscela si

trasformi da non infiammabile in infiammabile.

La miscela zeotropica è una miscela di

due o più componenti che presenta

cambiamenti di fase con variazione di

temperatura con conseguente variazione

della composizione della miscela data dal

glide, generando possibili problemi di

frazionamento in più componenti.

Effetto glide + perdite carico:

La presenza di una area verticale denuncia la presenza di irreversibilità interne al processo, cioè

dovuta a fenomeni dissipativi. Se l'area invece è orizzontale, quindi non si arriva allo zero assoluto,

l'irreversibilitá è dovuta solo a fenomeni di scambio termico. Nel caso dell'evaporatore con perdite

di carico, si ha la presenza di entrambi i contributi.

È necessario optare per cicli a doppia compressione di vapore quando la temperatura di fine

compressione è troppo elevata. Questa situazione sostanzialmente diminuisce le proprietà del

lubrificante perché la sua viscosità decade al di sopra di una certa temperatura (viscosità

bassissima). Sostanzialmente il lubrificante non serve più a nulla.

Una temperatura che può creare problemi è intorno al di sopra dei 110ºC.

L'ammoniaca da luogo ad efficienze molto elevate ma ha il difetto di dar luogo a temperature di fine

compressione abbastanza elevate.

Quando il rapporto di compressione è molto alto (temperature delle sorgenti molto diverse) è più

probabile che si verifichi la temperatura di fine compressione più elevata.

Quindi il problema si pone quando TH e TL sono molto diverse.

Si decide di spezzare la compressione in due stadi realizzando un ciclo con uno scambiatore

intermedio a miscela di liquido e vapore che se sono presenti in condizione stazionarie e di

equilibrio saranno in condizione di saturazione. Parlare anche della portata che

diminuisce e che giova poi

sull'efficienza

La pressione intermedia si trova facendo l'ipotesi che si minimizzino i lavori per unità di massa dei

compressori, ma questo solo se i compressori sono attraversati dalla stessa portata. Il problema è

che abbiamo visto che le portate all'evaporatore e al condensatore sono differenti. La pressione che

ottimizza questo tipo di impianto sarà più alta della pressione calcolata con la media armonica.

Aumentando la pressione intermedia, aumenterà di poco l'efficienza. Se si aumenta troppo la

pressione intermedia si avrà l'effetto contrario riducendo l'efficienza in quanto il punto 8 si sposter&agr