Produzione del Freddo I CHILLERS. Climatizzazione (2) Climatizzazione (1) Climatizzazione (3) Climatizzazione (4) Antonio Cammi

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1 Produzione del Freddo I CHILLERS Per la produzione del freddo, necessario agli impianti di climatizzazione si deve ricorrere a particolari macchine chiamate macchine frigorifere. Le macchine frigorifere possono essere divise in: Antonio Cammi - macchine a compressione di vapore; - macchine a termocompressione; - macchine ad aria; - macchine ad assorbimento; - macchine ad effetto fotoelettrico. Climatizzazione (1) Per impianti di condizionamento o climatizzazione si intendono quei sistemi adatti al controllo contemporaneo della temperatura e dell umidità negli ambienti, mentre impropriamente, molto spesso vengono così intesi gli impianti per il benessere estivo anche se solo termico (raffrescamento). Climatizzazione (2) Questo si ottiene semplicemente trasportando il calore da un ambiente ad un altro: si sottrae calore all ambiente (climatizzazione estiva) o si fornisce calore all ambiente (climatizzazione invernale). L ambiente esterno riceverà il calore proveniente dal locale da climatizzare in estate e cederà invece calore al locale da riscaldare in inverno. L aria del locale da climatizzare cede calore all unità interna del climatizzatore ed in tal modo si raffredda (e si deumidifica); il calore passa poi all unità esterna del climatizzatore attraverso le linee del circuito frigorifero; viene infine ceduto all ambiente esterno attraverso il ventilatore dell unità esterna. Viene così estratto calore al locale da climatizzare. Climatizzazione (3) Climatizzazione (4) La macchina per la climatizzazione riesce cioè a far compiere ciò che spontaneamente non potrebbe avvenire: costringe il calore ad andare controcorrente dall ambiente meno caldo all ambiente più caldo. Come si può notare, una macchina per la climatizzazione deve essere costituita da due unità da collocarsi nei due ambienti tra i quali si vuole far avvenire il passaggio di calore. Il fluido che circola all interno della macchina e al quale è affidato il compito di trasportare il calore da un ambiente all altro è detto fluido refrigerante (o fluido frigorigeno) ed è un derivato degli idrocarburi opportunamente sintetizzato al fine di renderlo non infiammabile e non tossico. L unità interna deve sottrarre calore all aria del locale; se l aria del locale si trova ad esempio ad una temperatura di 25 C, per sottrarre calore all aria occorre che l unità interna sia percorsa da un fluido che si trova ad una temperatura certamente inferiore a quella dell aria. Il fluido refrigerante deve cioè trovarsi ad una temperatura molto bassa quando percorre l unità interna. L aria del locale cede calore al refrigerante e così l aria si raffresca e si deumidifica. La climatizzazione dell aria del locale può avvenire quindi solo se si riesce a portare il fluido refrigerante ad una temperatura molto bassa.

2 Climatizzazione (5) Climatizzazione (6) Proviamo adesso a costruire una semplice macchina che sia in grado di portare un fluido ad una temperatura inferiore alla temperatura ambiente. Premendo sulla valvola sgonfiamo la ruota della bicicletta e ci accorgiamo che l aria che fuoriesce dal tubolare è sensibilmente fredda, al punto da produrre una sensazione di gelo sulle dita. Per ripetere il fenomeno appena citato è necessario: gonfiare la ruota della bicicletta con una pompa; aspettare che l aria immessa dentro la ruota si riporti alla temperatura ambiente (l aria appena immessa per compressione dentro la ruota è molto calda a causa della compressione subita nel passare dalla pressione ambiente pari ad 1 bar alla pressione interna pari a circa 8 bar che si ha nella camera d aria); Fare fuoriuscire l aria premendo sulla valvola (l aria si espande da 8 bar ad 1 bar e quindi si porta ad una temperatura molto più bassa rispetto alla temperatura ambiente). Climatizzazione (7) Per portare a bassa temperatura un fluido qualsiasi occorre quindi: Aumentarne la pressione (con una pompa o con un qualsiasi compressore); Sottrarne il calore mentre si trova ad alta pressione (come facciamo quando aspettiamo che l aria calda dentro la ruota si riporti alla temperatura ambiente); Climatizzazione (8) La figura seguente mostra il circuito frigorifero di una macchina per la climatizzazione; si evidenziano i quattro organi principali: Compressore (CP); Condensatore (CN) (o scambiatore di calore di alta pressione); Valvola di laminazione (VT) (o valvola di espansione); Evaporatore (EV) (o scambiatore di calore di bassa pressione); Farne ridurre repentinamente la pressione facendolo passare attraverso un orifizio molto stretto (come avviene quando l aria compressa fuoriesce dalla ruota attraversando la sottilissima valvola). Nelle macchine per il condizionamento dell aria facciamo compiere ad un fluido (detto fluido refrigerante, fluido frigorifero o fluido frigorigeno) un ciclo come quello descritto. Climatizzazione (9) Climatizzazione (10) Il compressore comprime il fluido refrigerante, il quale si porta ad alta pressione e ad alta temperatura; Il condensatore sottrae calore al refrigerante caldo; La valvola di laminazione provoca la riduzione repentina della pressione del refrigerante il quale si raffredda; L evaporatore fornisce calore al refrigerante freddo. Il fluido che in evaporatore entra in scambio termico con il refrigerante viene così raffreddato: se ad esempio si manda l aria ambiente a scambiare calore con il refrigerante, l aria si raffresca e si deumidifica. L evaporatore cioè lo scambiatore di calore in cui il refrigerante si trova a bassa temperatura - sottrae calore all aria ambiente che così si raffredda e si deumidifica. L evaporatore è contenuto nell unità interna del climatizzatore split. Il compressore, il condensatore e l organo di laminazione si trovano nell unità esterna del climatizzatore split. Abbiamo così realizzato una macchina per il condizionamento.

3 Climatizzazione (11) Climatizzazione (12) Una macchina per la climatizzazione può essere convenientemente usata per il riscaldamento invernale; la stessa macchina può fare da climatizzatore invernale (oltre che estivo) semplicemente facendo compiere un percorso diverso al fluido refrigerante. Le figure seguenti mostrano i diversi percorsi effettuati dal refrigerante nei funzionamenti estivo ed invernale: si noti la valvola a 4 vie, necessaria per far percorrere al refrigerante i due diversi cicli nelle due diverse stagioni: In estate infatti il fluido caldo che esce dal compressore viene inviato all unità esterna, posta fuori dal locale da raffrescare; in inverno basterà deviare il flusso del refrigerante caldo uscente dal compressore ed inviarlo all unità interna: in tal modo riscalderemo il locale occupato. CP: Compressore CN: Condensatore VT: Valvola di laminazione EV: Evaporatore VIC: Valvola Inversione Ciclo a 4 vie VU: Valvola ritegno FD: Filtro Deidratare Ciclo a COMPRESSIONE (1) Ciclo a COMPRESSIONE (2) Riassumendo: il CICLO FRIGORIFERO A COMPRESSIONE e un ciclo chiuso, percorso in senso antiorario: ha essenzialmente una configurazione simile a quella di un ciclo Rankine percorso in senso inverso poiché il processo di sottrazione di energia termica (Qin) ad una sorgente fredda da riversare ad una sorgente calda non e' un processo spontaneo. Per il funzionamento del ciclo si rende necessaria l'introduzione di un lavoro W nel ciclo. L energia termica Qout riversata alla sorgente calda sarà pari a: Qout = Qin + W. Si definisce coefficiente di prestazione COP il rapporto fra l effetto utile e la spesa energetica: COP = Qin / W Ciclo a COMPRESSIONE (3) Ciclo a COMPRESSIONE (4) IL COP ideale massimo si può anche esprimere attraverso i livelli di temperatura ai quali il ciclo si svolge: COP ideale = ε i = Tu / (Ta-Tu)

4 Ciclo a COMPRESSIONE (5) Ciclo a COMPRESSIONE (6) La temperatura di evaporazione dipende dalle esigenze dell'utenza mentre la temperatura di condensazione dipende dal tipo di condensazione (ad acqua, ad aria) e dalle condizioni ambientali esterne. Il CONDENSATORE è raffreddato mediante acqua oppure aria. Nel primo caso l acqua viene raffreddata, a propria volta, da una torre di raffreddamento. La temperatura di condensazione è poco più elevata della temperatura ambiente ed il COP e alto (4,5-5). La macchina frigorifera può essere installata al chiuso ed è più compatta. Ciclo a COMPRESSIONE (7) Ciclo a COMPRESSIONE (8) IL CONDENSATORE può essere raffreddato anche mediante adeguate portate d aria esterna, soffiate da appositi ventilatori. La temperatura di condensazione è notevolmente più elevata, rispetto alla temperatura ambiente, ed il COP è piuttosto basso (inferiore a 3) La macchina frigorifera va installata all aperto, è più grande e più costosa di una macchina raffreddata ad acqua, ma non c è necessità di torre di raffreddamento, il che rappresenta, complessivamente, un risparmio in costo ed in spazio. Ciclo a COMPRESSIONE (9) Tipi di macchine Le macchine con ciclo frigorifero presentano un Lato Caldo ed un Lato Freddo caratterizzati dal tipo di vettore usato per lo scambio termico q Aria-Aria (condiz. SPLIT) q Aria-Acqua (Chillers H 2 O-NH 3 ) q Acqua-Acqua (Chillers H 2 O-LiBr) q Terra-Acqua q...

5 Tipologie (1) Chiller I chiller sono gruppi refrigeratori d'acqua a compressione e possono suddividersi, in base al fluido utilizzato per il raffreddamento del condensatore: aria o acqua. Il campo di potenze frigorifere più comune per gli impianti installati varia tra i 100 e i 500 kw. Poiché i chiller necessitano di molta energia per il proprio funzionamento, si sono effettuati molti sforzi per renderne l'utilizzo meno oneroso. Per questo nel corso degli anni, è stata migliorata l'efficienza media dei gruppi frigoriferi, ed aumentata quella dei compressori e degli scambiatori di calore. Ulteriori prospettive si aprono con l'ottimizzazione della gestione delle macchine e degli impianti. Tipologie (2) Roof top La sostanziale differenza fra chiller e roof top sta nel fatto che questi ultimi utilizzano l'aria sia dal lato del condensatore che da quello dell'evaporatore. L'installazione di queste unità di condizionamento avviene all'esterno in quanto l'aria condizionata viene distribuita nell'ambiente attraverso un sistema di condotte o canali. Per incanalare l'aria raffreddata nelle condotte è necessario equipaggiare l'unità con un ventilatore centrifugo sull'evaporatore. Nelle fasce di potenza fino a 30 kw viene utilizzato un solo compressore ermetico alternativo con un unico circuito frigorifero. Nella fascia kw si impiegano due compressori ermetici su due circuiti frigoriferi indipendenti, mentre oltre i 90 kw si utilizzano comunemente due compressori semiermetici su due circuiti frigoriferi indipendenti Tipologie (3) Condizionatori di precisione Tipologie (4) I condizionatori di precisione monoblocco si suddividono, a seconda del fluido usato per il raffreddamento del condensatore, in macchine ad aria o ad acqua. Ciò che le differenzia è la tipologia di installazione: le unità ad aria vengono solitamente installate all'esterno, mentre quelle ad acqua sono comunemente posizionate all'interno dell'ambiente climatizzato. Poiché l'impiego prevalente è verso strutture di elaborazione dati, l'installazione di queste macchine avviene preferibilmente nel medesimo ambiente per evitare manomissioni e per assicurarne un funzionamento corretto e protratto nel tempo (anche fino a 8760 ore annue). Oltre a ciò è necessario che queste macchine assicurino un elevato grado di affidabilità visto che un blackout dell'impianto di raffreddamento potrebbe generare danni irreversibili e quindi rilevanti perdite economiche. Shelter Gli shelter sono una particolare tipologia di condizionatori di precisione progettate appositamente per il condizionamento di centrali telefoniche non presidiate, dove quasi sempre manca lo spazio interno per l'installazione dell'unità di raffreddamento. Oltre al raffreddamento meccanico, queste macchine sono in grado di utilizzare anche il raffreddamento con aria esterna (free-cooling) attraverso la gestione di un sistema di serrande e ventilatori. Tipologie (5) Centrali trattamento aria Le centrali di trattamento dell'aria sono composte di sezioni differenti ciascuna incaricata di assolvere una determinata funzione per effettuare i trattamenti dell'aria più diversi. La modularità è la caratteristica più evidente delle centrali, in quanto questi apparecchi vengono progettati e dimensionati in base alle specifiche esigenze da soddisfare. Nel corso dell'anno queste macchine possono svolgere diverse funzioni di trattamento: - miscelazione, filtrazione e movimento tra aria di ricircolo e aria esterna; - pre- e post-riscaldamento dell'aria - raffreddamento dell'aria - umidificazione e deumidificazione dell'aria. Le centrali di trattamento aria non comprendono gli elementi per la produzione dei fluidi caldi e freddi necessari per i processi di scambi termico con l'aria. Caldaie e gruppi di refrigerazione devono essere predisposti a parte. Macchine ad assorbimento (1) In una macchina frigorifera ad assorbimento il fluido frigorigeno è costituito da una miscela di due fluidi che devono formare una miscela omogenea in fase liquida. Il componente a più bassa tensione di vapore prende il nome di solvente, l altro soluto. Nelle macchine ad assorbimento vengono solitamente impiegate queste coppie di fluidi: 1) bromuro di litio acqua; 2) acqua ammoniaca.

6 Macchine ad assorbimento (2) Macchine ad assorbimento (3) Invece di comprimere il vapore con il prelievo di calore dall esterno a bassa temperatura mediante la somministrazione di energia meccanica si può pensare si sfruttare le capacità assorbenti di alcune soluzioni liquide. Esempio: Acqua ed ammoniaca L acqua a 0 C assorbe l ammoniaca fino a 1000 volte il suo volume e circa 700 volte a 15 C; ne restituisce la quasi totalità se si riscalda la soluzione a 100 C. Bromuro di litio + Acqua Acqua Macchine ad assorbimento (4) Macchine ad assorbimento (5) Le macchine ad assorbimento sfruttano lo stesso principio fisico per il quale a basse pressioni assolute l'acqua bolle a bassa temperatura. a Nella sua forma più semplice una macchina ad assorbimento è costituita da un evaporatore, da un assorbitore, da un condensatore, da un generatore, da alcune pompe e da una serie di dispositivi di controllo. Il mantello inferiore a bassa pressione ed a bassa temperatura solitamente contiene l'evaporatore e l'assorbitore, mentre il mantello superiore a temperatura e pressione superiori contiene il generatore ed il condensatore. Macchine ad assorbimento (6) Macchine ad assorbimento (7) Dal primo principio della termodinamica si ottiene: Q G + Q O + W = Q A + Q C + Q V W = Potenza elettrica degli ausiliari Q V = Perdite termiche dell assorbitore Trascurando questi ultimi due termini (in genere piccoli) si ottiene: Anche per la macchina ad assorbimento si definisce un coefficiente di prestazione quale rapporto fra la potenza termica resa e quella assorbita: - Nel caso di macchina frigorifera: COP F = Q O / Q G - Nel caso di pompa di calore: COP c = (Q A+ Q C ) / Q G = COP F +1 Q G + Q O = Q A + Q C

7 Macchine ad assorbimento (8) Macchine ad assorbimento (9) Applicando il secondo principio della termodinamica: Q G /T G + Q O /T O = Q A /T A + Q C /T C Normalmente per raffreddare assorbitore e condensatore si utilizza lo stesso fluido e quindi T A = T C e risulta quindi: Q G /T G + Q O /T O = (Q A + Q C )/T A = (Q O + Q G )/T A Il coefficiente di effetto utile ideale può quindi essere calcolato come: COP ideale = ε i = Q O /Q G = (1/T A -1/T G )/(1/T O -1/T A ) Come si vede le prestazione della macchina ad assorbimento sono condizionate dal valore delle tre temperature T A, T G, T O Al crescere della temperatura del generatore il coefficiente aumenta: se T G tende ad infinito si ottiene un rendimento apri al ciclo di CARNOT. Macchine ad assorbimento (10) Macchine ad assorbimento (11) Vista la ben diversa qualità dell energia richiesta per il funzionamento della macchina frigorifera ad assorbimento rispetto a quella a compressione di vapore, i COP delle due macchine non possono essere le macchine frigorifere a compressione necessitano per il loro funzionamento di energia meccanica per la compressione (forma di energia pregiata); l energia meccanica è resa disponibile nella maggior parte dei casi dall utilizzo di motori elettrici, e l energia elettrica è a sua volta ricavata in gran parte da impianti termoelettrici, alimentati cioè da energia sottoforma termica; nelle centrali termoelettriche, la trasformazione da calore a elettricità avviene con un rendimento medio nazionale che si aggira intorno al 40 % Vista la ben diversa qualità dell energia richiesta per il funzionamento della macchina frigorifera ad assorbimento rispetto a quella a compressione di vapore, i COP delle due macchine non possono essere le macchine frigorifere a compressione necessitano per il loro funzionamento di energia meccanica per la compressione (forma di energia pregiata); l energia meccanica è resa disponibile nella maggior parte dei casi dall utilizzo di motori elettrici, e l energia elettrica è a sua volta ricavata in gran parte da impianti termoelettrici, alimentati cioè da energia sottoforma termica; nelle centrali termoelettriche, la trasformazione da calore a elettricità avviene con un rendimento medio nazionale che si aggira intorno al 40 % Macchine ad assorbimento (12) Macchine ad assorbimento (13) Il ciclo termodinamico lavora tra due valori di pressione, Pc e P0: la linea tratteggiata nello schema separa i componenti che operano a diversa pressione. La pressione Pc (generatore e condensatore) è determinata dalla temperatura di condensazione dell acqua nel condensatore e quindi, in definitiva, è determinata dalla temperatura dell acqua disponibile nel circuito di raffreddamento. La pressione P0 (evaporatore e assorbitore) è determinata dalla temperatura di evaporazione dell acqua e quindi, in definitiva, dalla temperatura a cui è richiesta la produzione del freddo.

8 Macchine ad assorbimento (14) Il grafico rappresenta il variare della tensione di vapore saturo (punto di ebollizione) al variare della temperatura; considerata la temperatura dell acqua disponibile nel circuito di raffreddamento (tipicamente da 27 C a 36 C) risulta che la pressione nel condensatore è pari a circa 50 mbar; considerata invece la temperatura a cui è richiesta la produzione del freddo (tipicamente da 7 C a 14 C) risulta che la pressione nell evaporatore è pari a circa 12 mbar. Macchine ad assorbimento (15) L assorbitore è una tecnologia affidabile e consolidata negli anni. 1777: sviluppo della teoria della refrigerazione per assorbimento utilizzando acido solforico come assorbente (E. Nairne, Francia); 1860: prima macchina frigorifera ad assorbimento con soluzione ad acqua-ammoniaca (Ferdinand Carré, Francia); 1945: prima macchina ad assorbimento a LiBr di grande potenza (USA); 1958: prima macchina ad assorbimento a LiBr a gas, a fiamma diretta (Giappone); 1961: prima macchina ad assorbimento a doppio effetto, alimentata a vapore (USA); 1968: prima macchina ad assorbimento a doppio effetto a gas, a fiamma diretta (Giappone); 1972: prima macchina a gas, fiamma diretta produzione combinata freddo / caldo (Giappone). Macchine ad assorbimento (16) Macchine ad assorbimento (17) Modelli monostadio Macchine ad assorbimento (18) Macchine ad assorbimento (19) Modelli bi-stadio Possibili diversi abbinamenti: biomassa, solare, ecc.

9 Macchine ad assorbimento (20) Macchine ad assorbimento (21) Funzionamento estivo con macchina a doppio effetto, a Bromuro di Litio e fiamma diretta. Funzionamento invernale con macchina a doppio effetto, a Bromuro di Litio e fiamma diretta. Macchine ad assorbimento (7) Macchine ad assorbimento Esempi (1) Macchine ad assorbimento Esempi (2) Macchine ad assorbimento Esempi (3)

10 Macchine ad assorbimento Tipologie (1) Macchine ad assorbimento Tipologie (2) Taglia: 28 kw freddi-48 kw caldi Alimentazione: Gas Scambio: Aria-Acqua; Acqua- Acqua Destinazione: freddo; caldo; Modularità: No COP: 1.60 caldo freddo Taglia: 17 kw freddi Alimentazione: Gas Scambio: Aria-Acqua; Funzione: freddo Modularità: Sì COP: 0.65 freddo Macchine ad assorbimento Tipologie (3) Macchine ad assorbimento con cogenerazione Taglia: kw freddi Alimentazione: Gas; Acqua calda; vapore Scambio: Acqua-Acqua Funzione: freddo Controllo: continuo COP: 0.7 ; 1.1 Macchine ad assorbimento con solar cooling Le Macchine ad Assorbimento possono creare il freddo mediante l energia del sole. I costi di investimento ammontano a circa ~ 1800 /kw freddo / ~880 /kw termico: Costi comparati Caldaie Tecnologia Caldaie a Condensazione PCC Aria-Aria (2-4 kw) PCC Aria-Acqua (17 kw) PCA H20-NH3 (17 kw freddo- 35kW caldo) Chiller H20-LiBr (250 kw) /kw 25/ (freddo) (caldo) 600(freddo) Fonte ENEA

11 Conclusioni Vantaggi Compressione: q Costo di investimento minore. q Prestazioni superiori in raffrescamento. q Grande scelta di taglie. q Manutenzione non specialistica. q Assenza di fumi di scarico (salvo modelli con motore a C.I.) q Fluidi non pericolosi (salvo Ammoniaca anidra) Vantaggi Assorbimento: q I fluidi impiegati nelle macchine ad assorbimento non danneggiano l ozono e non contribuiscono all effetto serra. q Le prestazioni in riscaldamento sono superiori ed in ogni caso risentono meno delle variazioni climatiche. q E possibile diversificare le fonti energetiche. q Maggiore silenziosità e durata e minore manutenzione. q Possibilità di recuperare calore di scarto (trigenerazione) q Il Solar Cooling è una tecnologia molto attrattiva per il futuro.