Sistemi energetici - SECicloFrigo

Cicli frigoriferi

Scopo: trasferire calore da una sorgente fredda ad una più calda a opere di lavoro meccanico assorbito dal ciclo.

"Per trasferire calore da una sorgente fredda ad un corpo caldo a temperatura superiore è necessario l'introduzione del lavoro meccanico"

Trasformazione non spontanea

Sono detti anche "cicli inversi" perché il senso di percorrenza del ciclo nel piano termodinamico è contrario a quello dei cicli motori.

Ciclo motore

• ℓ > 0 : senso orario ∮Tds > 0

Ciclo frigo

• ℓ < 0 : senso antiorario ∮Tds < 0

Cicli frigoriferi

Scopo: trasferire calore da una sorgente fredda ad una più calda a spese di lavoro meccanico assorbito dal ciclo.

II^o principio della termodinamica

"Per trasferire calore da una sorgente fredda ad un corpo caldo a temperatura superiore è necessario immettere del lavoro meccanico".

Trasformazione non spontanea

Sono detti anche "cicli inversi" perché il senso di percorrenza del ciclo nel piano termodinamico è contrario a quello dei cicli motori.

Ciclo motore

• l>0: senso orario ∮Tds>0

Ciclo frigo

l Q_IN . Essendo nullo il lavoro effettuato dalla valvola, allora:

P_{in_net} = P_in → COP_F = ^Q_in⁄_{Pin_net} = ^Q_in⁄_{Pin_com} [2÷4 a seconda delle temperature degli ambienti]

Diagramma P-H

• Condensatore
• Valvola
• Compressore
• Evaporatore

Fluidi frigorigeni

La scelta dei fluidi cicli frigoriferi Rankine deve rispettare i seguenti criteri:

1. Transizione di fase nel campo di temperature Tc, Tf di interesse per il ciclo.
2. Pressioni di saturazione ragionevoli e Tc e Tf tali da se:

• P_eva > 1 atm: per evitare ingresso di aria e quindi contaminazione.
• P_cond non deve avere inclinazioni positive per la curva di saturazione del vapore nel piano T-S, la compressione avvenga omiu costituituivuta da goccioline di liquido.
• Buona combinazione di volume specifico e salto entalpico di condensazione e evaporazione
• Q_in fissato: ΔR _elevato V_piccoleV_ridotti V_piccole
• Grande taglia ΔR _elevati V_bassiV_bassi
• Piccola taglia ΔR _piccoli V_maggiori NH₃

5. Elevati coefficiente di scambio termico con due contenere le superfici di evaporatore e condensatore

6. Chimicamente e termicamente stabili. Non reagire con oli e lubrificanti e non deve decomporre.

7. Non essere tossico (NH₃ è usato nei soli impianti industriali)

8. Non essere infiammabili (etino C₂H₂ e propano C₃H₈ lo sono)

9. Basso prezzo d'acquisto

10. Non essere dubbioso per l'ambiente, no buco dell'ozono, no effetto serra.

Pochi fluidi soddisfano i requisiti:

• Acqua: solidifica a 0°C e la pressione di saturazione a T_amb è minima rischio infiltrazioni.
• Ammoniaca: ha tutte le caratteristiche ma è tossica, si usa solo per impianti industriali.
• Etano C₂H₆, Propano C₃H₈: ottimi per piccoli impianti ma sono infiammabili.
• Idrocarburi più pesanti: le pressioni di condensazione ed estrazione sono sfavorevoli e hanno pendenza positiva della curva di isopre satura.

Dagli anni '30 sono stati sviluppati fluidi per sintesi chimica, non tossici e non infiammabili per applicazioni frigorifere: Freon, Idrocarburi alogenati.

Freon o Idrocarburi alogenati

Si parte da un idrocarburo (metano, etano, propano) a cui sostituisco atomi di gas alogeni (Cl, F) agli atomi di idrogeno. Risultato: molecola più stabile e meno reattiva.

Nomenclatura Tecnica

• Se originati da metano: R_XX
• Se originati da etano C₂H₆: R_1XX
• Es: R_134a C₂H₂F₄
• Se originati da propano C₃H₈: R_2XX

Problema: I freon contenenti cloro causano l'assottigliamento dello strato di ozono che non scherma più le radiazioni U.V. alle latitudini elevate.

Soluzione: Freon a base fluoro

Problema 2: I Freon al Fluoro hanno un effetto serra elevato

Soluzione: Etano e Propano anche se infiammabili

Compressori per cicli frigoriferi

A seconda della taglia vi sono compressori differenti:

1. Q_in = [300 kW ÷ 40 MW]: vi sono compressori radiali
2. Q_in < 250 kW: vi sono compressori volumetrici alternativi o rotativi
3. Q_in = [250 kW ÷ 1 MW]: vi sono compressori alternativi a pistoni e valvole ad azionamento automatico

Compressore alternativi a pistone

• Le valvole di aspirazione si apre in automatico quando la depressione vince la forza della molla
• La valvola di scarico si apre in automatico quando la pressione nel cilindro vince la forza della molla.

Compressori rotativi (Q_in < 22 kW)

• Hanno il scorrevole e rotore eccentrico
• Il punto di tangenza P ruota con il rotore e si sposta verso la luce di scarico
• Divenendo V_d compr
• Aumentando V_a aspir
• Ci sono anche quelli: "A vite"

Problema: la tenuta! Il contenimento dei trafilamenti del fluido frigogeno verso l'esterno è critico sull'albero del compressore. Nel tempo la tenuta si consuma e del fluido frigogeno viene perso in ambiente. Pressione e portate diminuiscono e quindi oìde il COP e a freddo. Se trascinato da motore elettrico (come frigoriferi di casa) risolve il problema mettendo motore e compressione in contenitore ermetico.

Compressore ermetico

Non necessita di ricaricare il fluido.

Caso del condizionatore per auto

Dopo qualche anno lo devi ricaricare.

Curve caratteristiche compressori volumetrici

Per un compressore volumetrico la portata di fluido elaborata è pari a:

ṁ = h * V_CIL * η_V * p_IN * N_EFF.

dove:

• h: numero di giri al secondo
• V_CIL = πD_C² / 4 * corsa: volume della cilindrata
• η_V = ṁ / ṁ_ISO = ṁ / p_in * h * V_CIL: coefficiente di riempimento.

Di solito η_V < 1 perché:

1. p_ist < p_in: a causa delle perdite di carico nelle valvole di aspirazione e nel condotto di aspirazione
2. T_CIL > T_in: le pareti del cilindro sono calde a causa delle precedenti fasi di compressione.
3. Negli spazi morti è rimasto del gas alla pressione di scarico che quindi condensa e riempie parte del volume disponibile in fase di aspirazione.

Se il rapporto di compressione aumenta p_out >> p_in, allora η_V cala di più!

Scala rispetto a β pv

Mettendo in ordine decrescente di volumi moti, il compressore o l'elevativo, a vite e scroll si ottiene ALT > VITE > SCROLL quindi la corrispondente curva caratteristica non più retta, al diminuire del volume motore presente h è fissato!