Impianti frigoriferi e pompe di calore

Ciclo inverso a pompe di calore

Un impianto che sfrutta energia meccanica per trasferire calore da una sorgente a T minore a una sorgente a T maggiore è detto impianto frigorifero o pompa di calore a seconda che sia finalizzato alla sottrazione o alla somministrazione di calore dall’ambiente desiderato.

Quelli a compressione di vapore sono i più diffusi.

• Nell’impianto frigorifero L’E ha il compito di prelevare la potenza termica Q₂ dall’ambiente mentre Co serve a smaltire nell’ambiente esterno la potenza termica Q₁.
• Nelle pompe di calore è il contrario, Co serve a riscaldare l’ambiente interno ed E a prelevare dall’esterno Q₂.

(Differiscono per il loro effetto utile)

Il fluido evolvente è prelevato dall’evaporatore nello stato (1) di vapore saturo e secco alla pressione P_e e compresso con C a B usato (2), in condizione di vapore surriscaldato. Poi entra nel condensatore dove viene decompresso fino a T₃ e condensa (3-4). Il liquido così ottenuto lamina nella valvola o in una serpentina fino a (5) (vapore saturo), in questo stato entra nell’evaporatore.

Negli impianti frigoriferi L’E serve a prelevare, dall’ambiente che si desira refrigerare, la potenza termica Q₂, mentre Co serve a disperdere la Q₁. Quindi: |Q₁| = |Q₂| + |L₁|

Nel caso di pompe di calore lo scambiatore Co ha il compito di fornire, all’ambiente da riscaldare, la potenza termica Q₁ mentre l’evaporatore serve a prelevare dall’ambiente esterno la potenza termica Q₂. Le ciclo termodinamico di riferimento va base del funzionamento degli impianti.

CICLO INVERSO A COMPRESSIONE VAPORE

La prestazione delle macchine frigorifere e delle pompe di calore è espressa dal coefficiente di prestazione:

ε = COP_E = q₁ / L_mac = somma calore assorbito / lavoro totale

η = COP_PC = q₂ / L_mac = somma calore ceduto / lavoro totale

Per lo stesso ciclo tra le stesse temperature vale la relazione:

COP_PC = COP_E + 1

Poiché le calore evolve |q₁| = |q₂| + |L|

CICLO INVERSO DI CARNOT

Poiché è completamente reversibile, tutte e quattro le trasformazioni possono essere invertite con...

L'efficienza di definisce il ciclo inverso di Carnot. Una macchina frigorifera o pompa di calore, che funziona secondo un ciclo inverso di Carnot, sono dette macchine frigorifere di Carnot o pompe di Carnot

I coefficienti di prestazione sono:

• Macchina frigorifera di Carnot
• Macchina pompe di Carnot

ε = COPE = |Q_l| / |Q_l| - |Q_| = T_evap / T_sup - T_inf

η = COP_PC = |Q_l| / |L| = T_sup / T_sup - T_inf

Il ciclo inverso a compressione di vapore è leggermente modificato.

1. Sottoraffreddamento liquido a monte della valvola di espansione

   Si abbassa T del liquido saturo alla fine della condensazione con uno scambio termico a pressione cost.

   In poche parole, a parit lavoro di compressione salgono le quantità di calore scambiato e per questo

   si migliora sia l'efficienza del ciclo, sia il coefficente di moltiplicazione termica. Il sottoraffreddamento

   si ha con una maggiore superficie di scambio al condensatore.

   • E = COP_fc = ^{h₂ - h₅}/_{h2 - h1}
   • r = ^{COP_bc - COP_fc}/_{h2 - h1}

2. Surriscaldamento del vapore a monte del compressore

   Consiste nel riscaldare a pressione costante il fluido all'uscita dell'evaporatore secondo la trasformazione 4 - 1'.

   In pratica il lavoro di compressione aumenta, aumentando le potenze termiche scambiate, ma efficienza e

   COP non migliorano. Lo scopo principale è la difesa del compressore che in questo modo lavora senza fase liquida.

3. Scambiatore interno - surriscaldamento e sottoraffreddamento

   In questo caso raffreddiamo il compressore ma le lavoro ai compressione aumenta, migliora e ma non r.

   Possono superare i limiti di temperatura delle pratiche di surriscaldamento e sottoraffreddamento vapore prima.

   • (h₄ - h₅) m_re = (h₂ - h₅) m_ie