Scuola di Ingegneria. Tecnica del freddo G. Grazzini, A. Milazzo

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1 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 pag. 1

2 proveniente da un evaporatore a temperatura più bassa di quella di funzionamento dell'assorbitore. I due componenti α e β della miscela saranno scelti in modo che a pari T e V si abbia P α >>P β ; allo stesso tempo dallo schema abbiamo che le due pressioni nell'evaporatore e nell'assorbitore sono eguali quindi: P e = P α (T e )= P a = µ α P α +µ β P β µ α P α (T a ) utilizzando la legge di Raoult per le soluzioni ma essendo la frazione molare µ α < 1 T a > T e L'assorbimento arricchisce di refrigerante la soluzione; la soluzione ricca di refrigerante viene inviata al generatore, che si trova a pressione più elevata dell'assorbitore. La pressione più alta comporta che anche la temperatura di equilibrio tra vapore e liquido sia più elevata; fornendo energia termica alla soluzione il vapore si separa nuovamente e può ripetere il ciclo frigorifero andando al condensatore, alla valvola di laminazione 2-3 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 generatore. La soluzione che va alla laminazione, 9, riscalda in controcorrente quella che va al generatore realizzando così un recupero di energia, ma soprattutto contribuendo a mantenere la differenza di temperatura tra i due apparati. pag. 2

3 Il fabbisogno di energia meccanica della pompa è modesto rispetto all'energia termica richiesta (1-2%), quindi per il COP si ottiene la stessa relazione delle macchine ad eiezione. La prima macchina di Le Carré usava acqua e acido solforico. Oggi molto usata è la coppia LiBr-H 2 O, dove l'acqua è il fluido frigorigeno, che, oltre al problema del punto triplo che limita il campo di utilizzazione a temperature superiori a 0 C, può dare problemi di cristallizzazione infatti: con conseguenti rischi di blocco per la macchina. Per questi cicli il COP non è alto. Per innalzarlo si potrebbe considerare la possibilità di produrre più lavoro innalzando la pag. 3

4 temperatura del generatore. A causa della cristallizzazione, per la coppia LiBr, 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, ottenendo un miglioramento del COP ed un peggioramento del rendimento di II Principio. pag. 4

5 Schema di macchina monostadio a LiBr- H 2 O Sono per lo più piuttosto ingombranti e di grossa potenza; hanno il problema di lavorare a bassa pressione, minore di quella atmosferica. pag. 5

6 Assorbitore alimentato direttamente a gas, spesso proposto anche come caldaia pag. 6

7 Un'altra coppia di fluidi usata è H 2 O-NH 3, dove la seconda è il fluido frigorigeno. In questo caso si può scendere sotto 0 C, ovviamente con una riduzione del COP pag. 7

8 Diminuisce anche il rendimento di secondo principio poiché aumenta la temperatura di alimentazione: Altre coppie di fluidi sono state studiate ed anche proposte commercialmente, ma al momento quelle citate sono le uniche due correntemente usate. pag. 8

9 evaporazione t=4.5 C pag. 9

10 Proiezione sul piano T-s del diagramma T-s-x per la miscela H 2 O-NH 3. Il grafico permette di valutare la variazione della quantità di acqua alle varie temperature e pressioni. Occorre considerare che la separazione tra i due fluidi non è molto semplice causa la ridotta differenza tra le pressioni parziali. pag. 10

11 pag. 11

12 Questa è una idealizzazione del ciclo precedente. Come si vede sono facilmente individuabili i due cicli sovrapposti; uno motore, l'altro frigorifero. E' possibile compiere un passo ulteriore pensando di approssimare queste trasformazioni con dei cicli ideali. Prima di tutto con dei cicli di Carnot che abbiano la stessa area, dato che tutto il lavoro prodotto da uno è assorbito dall'altro. pag. 12

13 E' evidente come la massima efficienza del sistema si abbia con la stessa temperatura al condensatore ed all'assorbitore. Tuttavia il ciclo di Carnot non è l'unico a scambiare con due sole sorgenti. Consideriamo quindi due cicli ideali Ericsson rigenerati. Sono cicli a gas, ma si tratta di impostare un modello ideale con cui confrontare i sistemi reali. pag. 13

14 E' allora possibile ottenere un doppio ciclo sovrapposto che può essere percorso da un unico fluido in varie fasi. Alle varie trasformazioni corrispon-dono i componenti dello schema sottostante. Il ciclo superiore motore in senso orario e viceversa l'altro, con le stesse aree. E' possibile seguire un 8 che chiude i due cicli. Stiamo sempre considerando il sistema come un frigorifero e quindi l'effetto utile è Q E Anche questi sistemi possono essere visti come pompe di calore pag. 14

15 azionate termicamente. In questa ottica avremo: COP pc = (Q C +Q A )/Q G = (Q G +Q E )/Q G = 1+ Q E /Q G = 1+ COP f esattamente come nel caso dei sistemi a compressione. La costruzione di un sistema ideale di riferimento serve però anche ad ideare nuove macchine. Che succede se invertiamo il modo di percorrere i due cicli? pag. 15

16 Considerando cicli Ericson e ragionando come prima possiamo pensare di costruire la macchina con i componenti di figura assorbendo calore al Generatore e all'evaporatore alla temperatura intermedia T G e cedendolo alla temperatura più bassa T C avendo come effetto utile la cessione del calore Q A alla temperatura T A realizzando così un TRASFORMATORE DI CALORE pag. 16

17 In pratica avremo la macchina che segue: Con un COP reale di circa 0.5 ottenuto come: COP Q A /(Q G +Q E ) pag. 17

18 Una macchina ad assorbimento particolare è quella che segue il cosiddetto ciclo Electrolux, dalla casa che lo ha commercializzato. Nel 1922 Baltzar von Platen e Carl Munters, studenti al Royal Institute of Technology di Stockholm, svilupparono l'analisi del ciclo a tre fluidi. Un ciclo simile fu proposto nel1926 da Albert Einstein e dal suo allievo Leó Szilárd conosciuto come frigorifero di Einstein mostrato qui accanto. Vediamo ora il funzionamento del ciclo Electrolux. Si tratta di un sistema che usa H 2 O, NH 3 e H 2 mantenendo tutto il sistema alla stessa pressione ed ottenendo la separazione dei fluidi fornendo pag. 18

19 energia termica nel riscaldatore (in genere elettrico od a fiamma) H (in nero). D è il generatore dove l'ammoniaca si separa dall'acqua e fluisce verso il condensatore R 1 subendo un ulteriore raffreddamento in R 2. Passa poi nell'evaporatore E dove gassifica in presenza di idrogeno che resta inerte e serve solo a mantenere la pressione totale uniforme e pari a quella del generatore e dell'assorbitore A. La pressione parziale dell'ammoniaca in E è minore di quella in D e maggiore di quella in A. Nell'assorbitore A l'ammoniaca va in soluzione pag. 19

20 nell'acqua in caduta sui piatti, così da avere grande superficie di contatto; poiché in questa fase si libera calore, esso viene asportato dal refrigerante R 3. L'acqua ricca di ammoniaca passa nello scambiatore S e poi viene riscaldata da H, che fornisce calore sia al generatore D per la separazione dell'ammoniaca dall'acqua che alla pompa a bolle PB, che porta la miscela ricca nel generatore D. La pompa a bolle permette di salire ad una quota maggiore di A poiché avendo il fluido una minore densità, a causa delle bolle, è necessaria un'altezza maggiore per fornire alla base della colonna la stessa pressione. Questo tipo di ciclo senza parti in movimento è molto silenzioso e perciò diffuso nei frigoriferi degli alberghi, oltre che in tutte le situazioni in cui è più facile disporre di calore che di energia elettrica, come ad esempio nelle roulottes. pag. 20

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