Sistemi energetici per l'ambiente - appunti

Impianti frigoriferi

Ciclo inverso

Iniziamo questo corso di Sistemi Energetici per l'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:

• ciclo frigorifero: hanno l'obiettivo di mantenere bassa la temperatura della sorgente fredda e dunque l'effetto utile è la quantità di calore asportato (Q₂).
• pompa di calore: hanno l'obiettivo di mantenere stabile la temperatura della sorgente calda, e dunque l'effetto utile è il calore trasferito (Q₁).

Per i cicli inversi (a differenza di quelli diretti in cui si parla di rendimento) la prestazione del ciclo viene misurata tramite il coefficiente di prestazione (COP). Il coefficiente di prestazione (in generale sempre maggiore dell'unità), è definito dal rapporto fra l'effetto utile e l'energia spesa. Nel caso di ciclo frigorifero l'energia spesa è il lavoro richiesto dall’esternomentre 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=0 → W=|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_FROvviamente per capire la realizzazione di una macchina frigorifera e di una pompadi calore, è necessario avere a disposizione un ciclo di confronto. Il ciclo di riferimento per i cicli inversi è rappresentato dal ciclo di Carnot inverso. La macchina di Carnot inversa opera con queste trasformazioni reversibili:

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

Impianti frigoriferi

Cicli inversi

Iniziamo questo corso di Sistema Energetico per l'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 (Qc) e di trasferirlo ad una calda (Qh).

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 (Qc).

• pompa di calore: hanno l'obiettivo di mantenere stabile la temperatura della sorgente calda e dunque l'effetto utile è il calore trasferito (Qh).

Per i cicli inversi, a differenza di quelli diretti in cui si parla di rendimento, la prestazione del ciclo viene misurata tramite il coefficiente di prestazione (COP).

Il coefficiente di prestazione (in generale sempre maggiore dell'unità) è definito come il rapporto fra l'effetto utile e l'energia spesa.

Nel caso di un ciclo frigorifero l'energia spesa è il calore richiesto dall'esterno mentre l'effetto utile è, come detto, il calore assorbito, da cui: COPFR = Q1/W

Invece per una pompa di calore sono: COPPC = Qh/W.

Tali coefficienti di prestazione possono essere messi in relazione tramite il principio di conservazione dell'energia: W+Qc = Qh => |W| |Q2| = |Q1|

e in un sostituendo in (1), si ha: COPPC = |Q1|/W = (Q2+W)/W = 1+Q2/W = 1+COPFR.

Dunque COPPC = 1 + COPFR.

Ovviamente per capire la prestazione di una macchina frigorifera o di una pompa di calore è necessario avere a disposizione un ciclo di confronto.

A questo proposito un ciclo inverso è rappresentato dal ciclo di Carnot inverso.

La macchina di Carnot inversa opera con queste trasformazioni reversibili:

1. 1-2: trasformazione isoterma: il refrigerante assorbe ^T0Q

2. 2-3: compressione isoentropica: il vapore viene compresso isoentropicamente

3. 3-4: trasformazione isoterma: il vapore viene fatto _condensare, rilasciando la quantità di calore