Sistemi energetici per l'ambiente - appunti

Cicli inversi

Iniziamo questo corso di Sistemi Energetici... ambiente dell’analisi dei cicli inversi e degli impianti frigoriferi.

Un ciclo inverso consente, tramite del lavoro (W) fornito dall’esterno, di assorbire calore da una sorgente fredda (Q₂) e di trasferirlo ad una calda (Q₁).

In relazione alla finalità, i cicli inversi si suddividono in due categorie:

• cicli frigoriferi: hanno l’obiettivo di mantenere bassa la temperatura della sorgente fredda, e dunque l’effetto utile è la quantità di calore asportato (Q₂).
• pompe di calore: hanno l’obiettivo di mantenere stabile la temperatura della sorgente calda, dunque l’effetto utile è il calore trasferito (Q₁).

Per i cicli inversi a differenza di quelli diretti in cui si parla di rendimento, le prestazioni del ciclo vengo misurate tramite il coefficiente di prestazione (COP). Il coefficiente di prestazione è (in generale sempre maggiore dell’unità) e definito come rapporto tra l’effetto utile e l’energia spesa.

Nel caso di cicli frigoriferi l’energia spesa è il lavoro richiesto dall’esterno mentre l’effetto utile è, come detto, il calore assorbito, da cui: COP_FR = Q₂/W.

Invece per una pompa di calore sono: COP_PC = Q₁/W.

Tali coefficienti di prestazione possono essere messi in relazione tramite il principio di conservazione dell’energia: W + Q₂ = Q₁ o → W = |Q₁ - Q₂| = Q₁.

Da cui sostituendo in (*) si ha: COP_PC Q₁/W = (Q₂ + W)/W = 1 + Q₂/W = 1 + COP_FR

Dunque: COP_PC = 1 + COP_FR.

Ovviamente per capire la realizzazione di una macchina frigorifera o di una pompa di calore è necessario avere a disposizione un ciclo di confronto, un ciclo per un ciclo inverso è rappresentato dal ciclo di Carnot inverso. La macchina di Carnot inversa opera con quattro trasformazioni reversibili:

1. -2: trasformazione isoterma il refrigerante assorbe sottracomounto la quantità di calore Q₂ (sorgente).
2. 2-3: compressione isentropica: il vapore viene compresso isotropicamente.
3. 3-4: trasformazione isoterma il vapore viene fatto condensare, rilasciando la quantità di calore Q₁ (sorgente calda).
4. 4-1: espansione isentropica: il refrigerante viene fatto espandere isentropicamente.

Essendo caratterizzate da trasformazioni reversibili il COP del ciclo inverso di Carnot è definito come: Q₂/Q₁-Q₂ = T₂/T₁-T₂.

Detto questo relativamente ai cicli inversi analizzeremo ora le principali tipologie di cicli frigoriferi. 1) Ciclo frigorifero a compressione semplice. Il ciclo frigorifero a compressione semplice è il caso di ciclo più semplice da realizzare. Esso è caratterizzato da uno schema come quello a fianco: abbiamo un evaporatore, un compressore, un condensatore. Il punto di partenza del ciclo è il punto 1, a monte dell'espansore.

Come visibile dal diagramma nel piano T-S al punto 1 abbiamo il liquido saturo. 1-2: il liquido saturo si trova a pressione P₂ ed a temperatura T₁, subisce una trasformazione di espansione adiabatica isentropica che termina con le condizioni di vapore umido (punto 2).

In questa trasformazione, si verifica una riduzione di temperatura (da T₁ a T₂) e di pressione (P₂-P₁), la trasformazione avviene in valvola (senza recupero di lavoro) o in turbina (con recupero del lavoro di espansione) nel caso di grandi impianti.

2-3: il vapore umido subisce una trasformazione di evaporazione isocora (del sistema) assorbendo la quantità di calore Q₂ (l'effetto utile del ciclo frigorifero), divenendo vapore secco (punto 3).

3-4: il vapore saturo passa attraverso un compressore ed esegue una trasformazione di compressione adiabatica isentropica che provoca un innalzamento delle temperatura e della pressione del vapore che diviene vapore surriscaldato (punto 4).

4-1: infine il vapore surriscaldato passa in un condensatore reimmettendo la quantità di calore a ed esegue una trasformazione di condensazione isobara (il sistema) riportando il fluido al liquido saturo.

Il ciclo reale è quello tracciato in rosso. Ricordiamo infine che una macchina frigorifera può essere rappresentata in modo ciclico, ed è sempre caratterizzata da due tipologie di trasformazioni: reversibili e da altre caratterizzate da irreversibilità.

quantità di calore Q₁ nel generatore evapora la frazione più volatile (NH₃) che viene inviata al punto 4 (condensatore) dove condensa cedendo all’ambiente il calore Q_c. In uscita dal condensatore (punto 2) si ottiene dunque una miscela ricca di NH₃ in ammoniaca che viene inondata da una valvola.

Dopo l'espansione (punto 3) il condensato viene inviato all'evaporatore in cui avviene il calore Q_e.

Il fluido in uscita dall'evaporatore (punto 4) passa poi dall'assorbitore.

Nell'assorbitore il fluido viene miscelato con la parte uscente del generatore (una parte povera di N₂ che viene dunque a riformare la miscela iniziale (punto 5) che viene poi compressa con una pompa.

La compressione della miscela in fase liquida consente di risparmiare potenza.

La miscela in uscita dalla pompa (punto 6) viene fatta passare da uno scambiatore rigenerativo a un riscaldo della soluzione (mista di H₂O, povera di NH₃) in uscita dal generatore. Il fluido in uscita (punto 4) viene dunque inviato nel generatore in cui si fa la separazione della parte volatile (che va al punto 1) da quella ricca di acqua al punto 2).

Il coefficiente di prestazione di un ciclo frigorifero ad assorbimento è dunque definito COP_a= Q_e/(Q_g + W)

Pompe di calore

Come detto le pompe di calore si differenziano dalle macchine frigorifere solo per l'effetto utile. Dipende la sorgente a temperatura superiore.

Sulla base di pompe di calore si suddividono in:

• pompe di calore a compressione semplice
• pompe di calore a compressione frazionata
• pompe di calore ad assorbimento

Il coefficiente di prestazione di una pompa di calore sappiamo che è definito come COP_H = Q_H/W

Il limite superiore può essere ricavato con il ciclo inverso di Carnot: COP_H = T_H/(T_H - T_e)

Per ottenere COP interessante da una pompa di calore è necessario che le due temperature siano vicine, infatti quando la temperatura ambiente diminuisce il COP diventa inferiore.

In base a fabbisogni è possibile giudicare questo vapore immesso all’interno

(punto 1) e quanto al processo produttivo (punto 2).

Il problema di questi impianti è legato al consumo di acqua.

Ciclo combinato gas-vapore

• L’impianto a ciclo combinato gas-vapore consiste essenzialmente nell’accoppiamento di un impianto
• con turbina a gas e di un impianto con turbina a vapore

per i quali il calore necessario sarà

fornito dal recupero termico di gas di scarico della turbina a gas.

Sono possibili varie tipologie di combinazioni: il gruppo motori al ciclo

combinato con postcombustione e turbina a vapore in contropressione.

Questi sono impianti tipicamente taglie 40-500 MWe, hanno IE elevati [0.1 → 1.5]

ma hanno il difetto legato agli alti costi.

Tali impianti sono adatti per la cogenerazione industriale (in settori a consumo

elevatissimo di calore ed elettricità) e per la cogenerazione civile.

Teleriscaldamento

Il teleriscaldamento rappresenta una possibile applicazione civile delle cogenerazioni.

Il teleriscaldamento l’impianto soprattutto in zone a clima freddo) consiste in un

insieme di elementi utilizzati per generare e trasportare il calore generato alle

utenze termiche che non sono ubicate presso le centrali di cogenerazioni.

Ovviamente è necessaria anche una rete di distribuzione del calore, infatti sono in

genere presenti delle reti locali di distribuzione alle utenze di vicinato.

• In generale le reti primarie di acqua calda in pressione (100 - 130 °C), oggi
• utenze finali e distribuisce calore con una rete secondaria locale (50 - 70 °C)

Aspetti legislativi e normativi

Le leggi di risparmio energetico hanno facilitato la diffusione della cogenerazione.

La normativa consente l’autoproduzione di energia elettrica con il suo vettoriamento,

ovvero l’utilizzo della rete di trasmissione nazionale per trasportarla da un punto

di immissione ad un prelievo.

In dettaglio la normativa prevede che un impianto di produzione combinata (

energia elettrica e calore) può essere considerato “cogenerativo” solo se soddisfa

i seguenti requisiti:

• IRE > 10
• IE > 15