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La presenza della valvola di laminazione implica che la trasformazione di espansione sia una

isoentalpica; si preferisce percio' utilizzare il diagramma pressione-entalpia (Fig.5) che permette

di rappresentare piu' facilmente i cicli pratici, dato che le isoterme con cambiamento di fase sono

anche isobare. Il ciclo rappresentato in Fig.3, detto ciclo di Rankine inverso, viene modificato

come in Fig.5 attraverso lo scambiatore di calore introdotto nello schema della macchina e che

permette la cessione di energia termica tra il fluido al termine della condensazione e quello da

comprimere. Si ottiene cosi la sicurezza di comprimere solo vapore, essenziale in questo tipo di

cicli che utilizzano compressori di tipo meccanico. Nello stesso tempo si aumenta la quantita' di

fluido che evapora e di conseguenza l'entita' della energia termica sottratta alla sorgente fredda per

ogni ciclo di lavoro della macchina.

Un miglioramento ulteriore si puo' ottenere con lo schema di Fig.6, con una doppia fase di

compressione e l'inserimento di un separatore del vapore dal liquido. In questo modo si aumenta

ancora la quantita' di freddo prodotto per unita' di portata in massa, con l'ulteriore vantaggio di

dover comprimere solo una parte del fluido dalla pressione piu' bassa alla piu' alta.

Quest'ultimo ciclo trova applicazione solo nei piu' grossi impianti di climatizzazione e piu' spesso

nei sistemi di refrigerazione veri e propri, cioè per basse temperature.

Per i cicli a compressione il COP reale puo' variare tra 2 e 5, in relazione alla differenza di

temperatura tra evaporatore e condensatore.

Sistemi ad eiezione.

La compressione viene qui effettuata con un eiettore secondo gli schemi di Fig.7. Del vapore a

pressione abbastanza elevata rispetto a quella dell'evaporatore, espande in un ugello, acquistando

cosi' velocita' e diminuendo la pressione fino a valori inferiori a quelli del fluido da comprimere.

Questo viene cosi' richiamato nella camera di miscelazione e da qui trascinato via dal vapore

primario proveniente dall'ugello; l'elevata velocita' permette di recuperare pressione nel diffusore,

cosi' da poter inviare i due fluidi insieme al condensatore.

Questo metodo permette di utilizzare energia termica a media temperatura e richiede energia

meccanica solo per la pompa del circuito primario; inoltre ha il vantaggio di non presentare parti

in movimento e di poter comprimere fluidi bifasici. Nello stesso tempo le trasformazioni

altamente irreversibili che lo caratterizzano non permettono di ottenere elevati rendimenti di

compressione, mentre la necessita' di condensare il fluido del circuito primario oltre a quello che

percorre il ciclo frigorifero, comporta la realizzazione di condensatori molto grandi.

Il COP di questi sistemi e' in genere abbastanza basso, intorno a 0,2-0,3. E' interessante notare

come in questo caso si fornisca l'energia termica Qg ed il lavoro Lp per sottrarre l'energia Qe

all'evaporatore:

= Qe/(Qg+ Lp)

COP E

Considerando che tale Qg serva a produrre lavoro cedendo il calore Qc al condensatore, se si

usassero macchine a compressione per il ciclo frigorifero e motrici per produrre il lavoro L,

trascurando quello della pompa, si potrebbe scrivere:

COP = Qe/Qg = (Qe/L) (L/Qg) = COP η

E

e nel caso di macchine di Carnot si otterrebbe:

COP =[Te/(Tc- Te)][(Tg- Tc)/Tg]

C

Cicli ad assorbimento.

Anche in questo caso si ha la sostituzione dell'energia meccanica necessaria al funzionamento

del compressore, con energia termica a temperatura non elevata; il compressore viene sostituito

dal gruppo assorbitore-pompa-generatore.

Il vapore sviluppatosi nell'evaporatore a spese della sorgente fredda viene assorbito da una

soluzione formata dal refrigerante e da un adeguato solvente. Dato che il vapore in equilibrio col

proprio liquido ha una pressione molto maggiore di quella che caratterizza l'equilibrio con la

soluzione alla stessa temperatura, diventa possibile anche l'assorbimento di vapore proveniente da

un evaporatore E (Fig.8) a temperatura piu' bassa di quella di funzionamento dell'assorbitore A.

Infatti all'evaporatore la pressione, essendo pura la sostanza r, è legata durante il cambiamento di

fase alla temperatura, mentre nell'assorbitore essa è legata anche alle frazioni molari dei due fluidi

presenti, r e s , quindi:

P =P (T ) P =x P (T ) + x P (T )

evaporatore r E assorbitore r r A s s A

Scegliendo opportunamente le coppie di fluidi, il termine dovuto al solvente è molto basso rispetto

all'altro e quindi il refrigerante può passare dal recipiente a bassa temperatura (evaporatore) a

quello a maggior temperatura che è l'assorbitore.

L'assorbimento arricchisce di refrigerante la soluzione che diminuisce la propria attitudine ad

assorbire e genera calore che deve essere ceduto all'esterno. La soluzione ricca di refrigerante

viene inviata al rigeneratore G, che si trova a pressione piu' elevata dell'assorbitore. La pressione

piu' alta comporta che anche la temperatura di equilibrio tra vapore e liquido sia piu' elevata;

fornendo energia termica alla soluzione il vapore si separa nuovamente e puo' ripetere il ciclo

frigorifero andando al condensatore C, alla valvola di laminazione 8 e di nuovo all'evaporatore ed

all'assorbitore. Nello stesso tempo la soluzione che ha liberato il refrigerante torna all'assorbitore

passando per una valvola di laminazione che permette di mantenere la differenza di pressione tra

assorbitore e rigeneratore. La soluzione che va alla laminazione riscalda in controcorrente quella

che va al rigeneratore realizzando cosi' un recupero di energia, ma soprattutto contribuendo a

mantenere la differenza di temperatura tra i due apparati.

Il fabbisogno di energia meccanica della pompa P e' modesto rispetto all'energia termica richiesta

(1-2%). Sul diagramma temperatura-pressione della Fig.8 si puo' seguire il ciclo della soluzione

acqua-bromuro di litio, coppia in cui l'acqua svolge la funzione di fluido refrigerante.

La linea che chiude il diagramma verso le concentrazioni maggiori di sale, e' la linea di

cristallizzazione, linea su cui comincia la separazione del sale, LiBr in questo caso, e la sua cristal-

lizzazione con conseguenti rischi di blocco per la macchina.

Oltre alla coppia acqua-bromuro di litio, viene usata anche quella ammoniaca-acqua, ed in

questa l'ammoniaca funge da fluido frigorigeno. Per questi cicli il COP non e' alto, come si puo'

vedere dalla Fig. 9 [1] che riporta l'andamento del COP teorico. Anche in questo caso il COP

viene riferito all'energia termica fornita ad alta temperatura ed al lavoro della pompa; si possono

quindi fare anche qui le considerazioni relative alle macchine di Carnot sostitutive. Proprio

questo tipo di analisi porterebbe a considerare la possibilita' di produrre piu' lavoro innalzando la

temperatura del generatore. A causa della cristallizzazine pero' questa ha un limite massimo legato

alla temperatura dell'assorbitore; non resta quindi che migliorare l'efficacia del sistema di

produzione del vapore. E' quello che si fa nelle macchine ad assorbimento a due stadi di cui in

Fig.10 [1] e' riportato lo schema ed il miglioramento del COP teorico ottenibile per la coppia LiBr.

Queste macchine presentano un funzionamento estremamente silenzioso ed una grande

affidabilita', anche se hanno un ingombro superiore a quelle a compressione; rispetto a queste,

richiedono minori consumi di energia meccanica, ma necessitano di un sovradimensionamento di

circa il 30% del sistema di smaltimento del calore; sono alimentate in genere con fluidi a

temperatura da 130 a 150°C.

Pompa di calore

In altri casi si potrebbe prevedere l'utilizzazione invernale del sistema frigorifero come pompa

di calore, raffreddando una sorgente esterna e cedendo calore alle utenze.

Trasformatori di calore

Sistemi frigoriferi a ciclo aperto.

Per realizzare cicli aperti e' ovviamente necessario utilizzare fluidi frigorigeni non inquinanti e

non costosi, restringendo automaticamente la scelta all'aria ed all'acqua.

I cicli frigoriferi ad aria vengono utilizzati negli impianti di climatizzazione dei velivoli

potendo utilizzare aria compressa spillata direttamente dai compressori dei motori; in questo caso

si utilizza un ciclo Joule inverso come quello di Fig.11; l'isobara di chiusura 4-1 e' fittizia,

realizzandosi nell'ambiente esterno. E' interessante notare come, comportandosi l'aria da gas

perfetto, in questo caso sia necessario l'uso di una turbina di espansione, dato che la semplice

laminazione sarebbe praticamente isoterma [2].

Per quanto riguarda i cicli ad acqua, si potrebbero usare sia sistemi ad eiezione, sia ad

assorbimento, con necessita' di trattamenti dell'acqua ed inutile spreco. Vogliamo qui riferirci

invece ai sistemi che utilizzano le proprieta' delle miscele aria-vapor d'acqua.

Durante una trasformazione di saturazione adiabatica l'entalpia della miscela resta praticamente

costante e, poiche' l'acqua immessa evapora a spese dell'energia interna della miscela, questa

subisce un raffreddamento. Utilizzando sostanze capaci di deumidificare l'aria si puo'

successivamente raffreddarla umidificandola, seguendo ad esempio il ciclo riportato in Fig.12 nel

diagramma di Mollier e come schema.

I deumidificatori sono del tipo a disco rotante (Fig.13) per l'impiego di essiccanti solidi, o del tipo

a camere (Fig.14) se si usano liquidi assorbenti. Il campo di portate d'aria trattabili e' ampio, da

m3/s

0,012 a 47 con potenzialita' da 0,15 a 3000 kW [3]. Questi sistemi trovano particolare

applicazione nelle utenze industriali che richiedono ambienti con aria a titolo molto basso ed in

tutte quelle situazioni che comportano una forte incidenza dei carichi termici dovuti al calore

latente.

Possono trovare utilizzazione anche in quei casi in cui si debbono trattare volumi grandi di aria di

ricambio, ristoranti, saune, ospedali. In questi casi anche la sola deumidificazione preventiva

permette di risparmiare sugli impianti di refrigerazione convenzionali; tra l'altro si ottiene aria piu'

pulita a causa di un non trascurabile effetto filtrante e dell'assenza di superfici bagnate, sedi

favorevoli alla proliferazione batterica [4].

I sistemi ad essiccanti solidi consentono la realizzazione di strutture compatte (Fig.15) e

permettono di ottenere dei COP dell'ordine di 0,4 [1]

Criteri termodinamici di confronto ed analisi.

L'unico parametro fin qui utilizzato per il confronto tra i vari sistemi per la produzione del

freddo, e' stato il COP; tale parametro e' tuttavia basato sull'uso solo del primo principio della

termodinamica, che non fa distinzione tra i diversi livelli qualitativi dell'energia. Volendo fornire

soltanto una indicazione esso e' utilizzabile, ma per effettuare confronti significativi tra i diversi

sistemi e' necessario introdurre il secondo principio della termodinamica, tenendo conto delle

temperature a cui avvengono gli scambi termici. A questo fine e' utile introdurre l'idea di exergia,

funzione termodinamica che permette di valutare il lavoro utilizzabile associato all'energia ed alla

massa scambiati nei diversi componenti dei sistemi.

Nel caso di solo scambio termico tale lavoro viene calcolato semplicemente moltiplicando il

valore dell'energia termica per il rendimento secondo Carnot;

Ex= Q (1 - T2/T1)


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AUTORE

Atreyu

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+1 anno fa


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria meccanica (FIRENZE, PRATO)
SSD:
Università: Firenze - Unifi
A.A.: 2011-2012

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Atreyu di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Tecnica del freddo e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Firenze - Unifi o del prof Grazzini Giuseppe.

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