CICLO FRIGORIFERO PER RAFFREDDAMENTO

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1 CICLO FRIGORIFERO PER RAFFREDDAMENTO REGIONE CALDA Liquido saturo o sottoraffreddato Q out 3 2 Vapore surriscaldato condensatore compressore valvola di espansione P c evaporatore 4 Miscela bifase liquidovapore Q in 1 Vapore saturo o surriscaldato REGIONE FREDDA COP frigorifero = Q in /P c COP frigorifero MAX = T C /(T H -T C )

2 CICLO FRIGORIFERO PER RAFFRESCAMENTO ESTERNO T H = 34 C Liquido saturo o sottoraffreddato Q out 3 2 Vapore surriscaldato valvola di espansione condensatore compressore P c Miscela bifase liquidovapore evaporatore 4 1 Q in Vapore saturo o surriscaldato INTERNO T C = 24 C COP frigorifero = Q in /P c COP frigorifero MAX = T C /(T H -T C )

3 CICLO FRIGORIFERO PER RISCALDAMENTO ESTERNO T C = 5 C Miscela bifase liquidovapore Q in 4 1 Vapore saturo o surriscaldato valvola di espansione evaporatore compressore P c Liquido saturo o sottoraffreddato condensatore 3 2 INTERNO Q out Vapore surriscaldato T H = 20 C Q out = Q in + P c COP pompa di calore = Q out /P c = Q in /P c + 1= COP frigorifero + 1 COP pompa di calore MAX = T H /(T H -T C )

4 OSSERVAZIONE SUL COP Dalle formule appena scritte, il COP della pompa di calore sembra maggiore del COP del condizionatore. In realtà, ciò che cambia nei due casi è la differenza (T H -T C ). Nell esempio considerato: (T H -T C ) = 10 K per il raffrescamento; (T H -T C ) = 15 K per il riscaldamento. Considerando il caso ideale, si avrebbe: Raffrescamento: T C = 24 C = 297 K COP = 297/10 = 29,7 Riscaldamento: T H = 20 C = 293 K COP = 293/15 = 19,5 Quindi, utilizzando la stessa macchina per il raffrescamento e per il riscaldamento, avrò un COP leggermente superiore nel funzionamento come condizionatore rispetto a quello come pompa di calore.

5 CONFRONTO POMPA DI CALORE- CALDAIA PER RISCALDAMENTO AMBIENTI La convenienza di un impianto di riscaldamento a pdc rispetto ad uno tradizionale dipende in maniera determinante da alcuni fattori, tra cui: le condizioni climatiche esterne che si registrano durante le ore di funzionamento (sotto una certa temperatura il COP diminuisce); i costi dell energia elettrica; i costi dell energia termica; la possibilità di utilizzare l impianto pompa di calore come impianto di condizionamento nella stagione calda (N.B.: usare solo l impianto pompa di calore nella stagione fredda in genere non è conveniente).

6 CONFRONTO POMPA DI CALORE- CALDAIA PER RISCALDAMENTO AMBIENTI La pompa di calore è interessante nei casi in cui: 1) il costo del combustibile è elevato rispetto a quello dell energia elettrica (settore non industriale); 2) sono disponibili acque naturali da usare come pozzo termico al posto dell aria esterna. Attingendo acqua da un pozzo o da un lago si riducono i cali drastici della temperatura di evaporazione durante la stagione fredda, in quanto la temperatura dell acqua non può mai scendere sotto lo 0 C. 3) il carico termico invernale è inferiore a quello estivo (ad esempio per locali da riscaldare nei quali si registra in inverno un affollamento di persone - grandi magazzini - o si hanno altre sorgenti di calore).

7 CONFRONTO POMPA DI CALORE- CALDAIA PER RISCALDAMENTO AMBIENTI La pompa di calore sfrutta lo stesso ciclo frigorifero dei refrigeratori. L utilizzo di questi ultimi per il condizionamento è molto frequente ed è raro trovare un sistema a pompa di calore che non permetta l inversione del funzionamento. Il dimensionamento dell impianto viene eseguito e ottimizzato per le condizioni di funzionamento estive. Essendo però solitamente più elevato il carico invernale (in particolare nelle regioni del Nord Italia), in tale periodo si deve ricorrere a un integrazione tramite caldaia tradizionale o, in mancanza di combustibile, tramite sistemi che impiegano resistenze elettriche. Al contrario, quando ci si trova in condizioni di carico invernale inferiore a quello estivo, non risulta necessaria la presenza di ulteriori sistemi di riscaldamento.

8 CONFRONTO POMPA DI CALORE- CALDAIA PER RISCALDAMENTO AMBIENTI Nel caso in cui l utente abbia sia esigenze di riscaldamento invernale, sia esigenze di raffrescamento estivo, può essere conveniente l acquisto di un refrigeratore funzionante anche a pompa di calore e di una caldaia da utilizzare in inverno in parallelo alla pompa di calore e quindi di potenza inferiore rispetto a una soluzione di riscaldamento esclusivamente mediante combustibile. In questo modo, inoltre, si può scegliere, a seconda delle tariffe e delle condizioni ambientali, se utilizzare solo la pompa di calore, solo la caldaia, o entrambe.

9 Un ciclo ideale è completamente reversibile: nessuna caduta di pressione per attrito; il refrigerante fluisce a pressione costante attraverso il condensatore e l evaporatore; la compressione è isoentropica; l espansione è adiabatica. La differenza principale tra ciclo ideale e ciclo reale sta nel processo di compressione. Nel ciclo reale la compressione è solo adiabatica e l entropia aumenta. Le cadute di pressione sono generalmente trascurate. Per rappresentare il ciclo si può usare un diagramma temperatura-entropia o pressione-entalpia.

10 EVAPORATORE (processo da 4 a 1 o 1) Quando il refrigerante, come miscela bifase liquido-vapore, passa attraverso l evaporatore, assorbe calore dalla regione fredda e si trasforma in vapore saturo (punto 1 ). Questo succede a pressione e temperatura costanti. La temperatura dell evaporatore deve essere più bassa della temperatura della regione fredda. In pratica, lo stato finale è quello di vapore surriscaldato al punto 1. La quantità di calore per unità di portata massica del refrigerante è: Q in /m = h 1 - h 4 oppure h 1 -h 4 dove: Q in = [W] = potenza asportata dalla regione fredda m = [kg/s]

11 COMPRESSORE (processo da 1 a 2 o 2s) Il refrigerante, nello stato di vapore saturo o surriscaldato, è compresso a temperatura e a pressione più elevate. Il valore di temperatura raggiunto deve essere più alto di quello della regione calda. Nel ciclo ideale, questo processo è isoentropico. Nel ciclo reale il punto finale è 2, al quale corrisponde un entropia maggiore. La potenza in ingresso (potenza meccanica all asse del compressore) per unità di portata massica del refrigerante è: P c /m = h 2s -h 1 oppure h 2 -h 1 L effetto della compressione irreversibile nel ciclo reale può essere considerato introducendo un rendimento isoentropico: η = (h 2s -h 1 )/(h 2 -h 1 ) < 1 Considerando anche il rendimento meccanico del compressore, la potenza necessaria per una compressione reale è 1,3-1,4 volte quella ideale.

12 COMPRESSORE (processo da 1 a 2 o 2s) Il refrigerante passa, attraverso il condensatore, da vapore surriscaldato a vapore saturo e quindi condensa trasferendo calore alla regione calda che deve essere a temperatura più bassa del refrigerante. Lo stato finale è liquido saturo (3 ) o sottoraffreddato (3). La quantità di calore trasferita dal refrigerante all ambiente per unità di potata massica è: Q out /m = h 2 -h 3 oppure h 2 -h 3