Progetto Ice Rink e Acustica (pista di ghiaccio)

POLITECNICO DI TORINO

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica

ESERCITAZIONE PRINCIPALE

ICE RINKS & ACUSTICA

Tutor : Matteo Fasano

Gruppo : 16

Applicazioni Avanzate di Fisica Tecnica

Anno accademico: 2018/2019 1 / 108

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Sommario

INTRODUZIONE ______________________________________________________ 6

1. Testo esercitazione ________________________________________________________ 6

1.1 PARTE S: Reperimento dei dati tecnici e dimensionamento preliminare _____________________ 6

1.2 PARTE A: Calcolo di fuori progetto _________________________________________________ 7

1.3 PARTE B: Applicazione del secondo principio della termodinamica e bilancio exergetico ________ 7

1.4 PARTE C: Calcolo tecnico dello scambio termico ________________________________________ 7

PARTE S: Dimensionamento preliminare __________________________________ 9

2. Calcolo potenza frigorifera __________________________________________________ 9

2.1 Metodo Time To Freeze ___________________________________________________________ 9

2.2 Metodo stima dei carichi termici a regime __________________________________________ 12

3. Ciclo frigorifero __________________________________________________________ 18

3.1 Dimensionamento componenti ____________________________________________________ 24

3.1.1 Condensatore ________________________________________________________________ 24

3.1.2 Potenza assorbita dai ventilatori _________________________________________________ 34

4. Dimensionamento del passo delle serpentine __________________________________ 36

4.1 Modello1 (resistenza piana): ______________________________________________________ 36

4.2 Modello2 (resistenza cilindrica): ___________________________________________________ 42

4.3 Modello PDETOOL:______________________________________________________________ 47

PARTE A: Calcolo di fuori progetto ______________________________________ 48

5. Calcolo potenza frigorifera _________________________________________________ 48

5.1 Calcolo delle potenze termiche fuori progetto _______________________________________ 48

5.2 Stima dei carichi a regime _______________________________________________________ 49

6. Dimensionamento componenti _____________________________________________ 50

6.1 Condensatore ________________________________________________________________ 50

6.2 Evaporatore __________________________________________________________________ 52

7. Dimensionamento del passo delle serpentine (resistenza cilindrica) ________________ 67

7.1 Potenza meccanica della pompa relativo alle tubazioni. _______________________________ 72

8. Analisi energetica ________________________________________________________ 78

9. Stima dei costi d’esercizio dell’impianto ______________________________________ 80

9.1 Primo giorno di lavoro: _________________________________________________________ 80

9.2 Consumo diurno ______________________________________________________________ 81

9.3 Consumo notturno ____________________________________________________________ 81

9.4 Analisi dei costi _______________________________________________________________ 81

PARTE B: applicazione del secondo principio della termodinamica e bilancio

exergetico __________________________________________________________ 83

10. Analisi di primo principio ________________________________________________ 85

10.1 Compressore di bassa pressione (capisaldi 1-2) ____________________________________ 85

10.2 Compressore di alta pressione (capisaldi 3-4) _____________________________________ 85

10.3 Condensatore (capisaldi 4-5) __________________________________________________ 85

10.4 Valvola di laminazione di alta pressione (capisaldi 5-6) ______________________________ 86

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10.5 Valvola di laminazione di bassa pressione (capisaldi 7-8) ____________________________ 86

10.6 Evaporatore (capisaldi 8-1) ____________________________________________________ 86

10.7 Scambiatore intermedio (capisaldi 2-7;6-3) _______________________________________ 87

11. Analisi exergetica ______________________________________________________ 87

11.1 Compressore di bassa pressione (capisaldi 1-2) ____________________________________ 88

11.2 Compressore di alta pressione (capisaldi 3-4) _____________________________________ 89

11.3 Condensatore (capisaldi 4-5) __________________________________________________ 89

11.4 Valvola di laminazione di alta pressione (capisaldi 5-6) ______________________________ 90

11.5 Valvola di laminazione di bassa pressione (capisaldi 7-8) ____________________________ 90

11.6 Evaporatore (capisaldi 8-1) ____________________________________________________ 91

11.7 Scambiatore intermedio(capisaldi 2-7;6-3) _______________________________________ 92

12. Analisi exergetica sulle serpentine _________________________________________ 93

13. Analisi exergetica dell’impianto ___________________________________________ 94

PARTE C: calcolo tecnico dello scambio termico ___________________________ 96

14. Valutazione dello scambio termico dovuto all’irraggiamento ___________________ 96

14.1 Carico per irraggiamento dal soffitto ____________________________________________ 96

14.2 Analisi della variazione di altezza _______________________________________________ 96

14.3 Analisi variazionale del soffitto _________________________________________________ 97

15. Valutazione delle prestazioni dello scambiatore mediante il metodo ε-NTU _______ 99

16. Valutazione scambio termico tubo-tubo ___________________________________ 101

Relazione di Acustica ________________________________________________ 103

1 Strumenti per l’esperimento ______________________________________________ 103

2. Valutazione della tipologia di campo acustico _________________________________ 104

3. Valutazione del tempo convenzionale di riverberazione ________________________ 105

4. Valutazione del livello di pressione netto della sorgente ________________________ 107

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INTRODUZIONE

1. Testo esercitazione

Piste di ghiaccio

(ASHRAE: R34, Ice Rinks)

Tipologia prevalente: IMPIANTO Figura 1: schema impianto indicativo

Si consideri un impianto per la generazione del freddo progettato per soddisfare le esigenze di

raffreddamento richieste da due piste di ghiaccio per la ricreazione sportiva.

1.1 PARTE S: Reperimento dei dati tecnici e dimensionamento preliminare

 Nello svolgimento del progetto, è possibile assumere alcune semplificazioni per quanto

riguarda l’ambiente interno. Si consideri una temperatura all’interno dell’area di 12 °C ed

un’umidità relativa del 70%. La velocità dell’aria che lambisce il ghiaccio è pari a circa 0.2

m/s. La potenza termica del sistema di illuminazione è pari a circa 50 kW per ciascuna pista

(la potenza incidente sul ghiaccio è circa il 60% della potenza nominale delle lampade). La

superficie del soffitto da considerare ai fini del calcolo dello scambio termico per

irraggiamento tra soffitto e pista è pari a 2000 m2 (emissività del soffitto 0.9).

 Ciascuna pista ha le dimensioni 60 x 30 m con raggi di raccordo di 6 m in corrispondenza

degli spigoli. La temperatura superficiale del ghiaccio è pari a –6 °C. Il tempo di congelamento

è pari a 72 ore (totale, dall’acqua liquida alla temperatura superficiale ottimale del ghiaccio).

Lo spessore del ghiaccio è 100 mm.

 Al disotto del ghiaccio (e parzialmente imprigionato in esso) esiste una griglia in cui scorre il

fluido frigorigeno. Supponendo di considerare un diametro dei condotti pari a 15 mm,

dimensionare il passo dei condotti che costruiscono la griglia. Ai fini della circuitazione,

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supporre che tutti i condotti si dipanino tra due distributori montati all’estremità della pista,

che costituiscono i serbatoi di distribuzione e raccolta del fluido secondario. Come fluido

secondario si assuma acqua e glicol (35% in massa). Si assuma un salto di temperatura tra

mandata e ritorno compreso nell’intervallo 4 – 8 °C.

 Stimare la potenza frigorifera necessaria secondo il metodo del tempo di congelamento

dell’acqua nelle due piste e secondo il metodo diretto di stima dei carichi termici a regime.

Dimensionare l’impianto in base al valore massimo dei due precedenti ottenuti.

 Dimensionare il sistema frigorifero per il condizionamento del fluido secondario delle piste

da ghiaccio (R134a). Supporre che si tratti di un’unità raffreddata ad aria. In particolare

prevedere un condensatore montato in orizzontale sul tetto del container che ospita l’unità

di trattamento, con ventilatori ad asse verticale. Stimare il consumo elettrico del ventilatore.

1.2 PARTE A: Calcolo di fuori progetto

Si consideri la necessità di garantire un tempo di congelamento pari a 24h. Determinare il nuovo

carico termico e ridimensionare l’impianto e la griglia in cui scorre il fluido frigorigeno.

Valutare le eventuali modifiche da apportare al sistema per il condizionamento del fluido secondario

supponendo che si tratti di un’unita raffreddata ad aria. Si preveda, come in fatto precedentemente,

un condensatore montato in orizzontale sul tetto del container che ospita l’unità di trattamento,

con ventilatori ad asse verticale. Stimare il nuovo consumo elettrico del ventilatore.

Evidenziare le differenze riscontrate rispetto alla soluzione progettuale ottenuta in fase di

dimensionamento preliminare (parte S).

Verificare il bilancio termico dell’impianto complessivo costituito dall’unità di trattamento

dell’acqua secondaria, dalla griglia di raffreddamento al di sotto del ghiaccio, dalle piste e dall’arena,

assumendo valori ragionevoli di efficienza per i singoli componenti.

 Quale è l’efficienza complessiva dell’impianto?

 Quali sono i componenti che influenzano di più le inefficienze dell’impianto?

 Stimare il costo di esercizio dell’impianto in termini di potenza elettrica.

1.3 PARTE B: Applicazione del secondo principio della termodinamica e bilancio exergetico

Condurre un’analisi exergetica dell’impianto complessivo, che consenta di evidenziare le perdite

exergetiche per ciascun componente.

 Quale è l’efficienza exergetica complessiva dell’impianto?

 Quali sono i componenti che contribuiscono maggiormente alle perdite exergetiche

dell’impianto? Tali componenti sono gli stessi che contribuiscono anche alle maggiori

dissipazioni energetiche?

1.4 PARTE C: Calcolo tecnico dello scambio termico

Valutare lo scambio termico all’interno della griglia di raffreddamento mediante il metodo delle

resistenze elettriche equivalenti tenendo presente l’effetto delle resistenze termiche multiple

dovute alla stratigrafia della pista. Discutere il trattamento del contributo dovuto all’irraggiamento.

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Valutare le prestazioni degli scambiatori elementari costituiti da ciascun ramo della griglia che

connette i collettori posti ai lati della pista mediante i