I QUADERNI DEL FREDDO Materiale Didattico per il Conseguimento del Patentino per il Trattamento dei Gas Effetto Serra

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1 Materiale Didattico per il Conseguimento del Patentino per il Trattamento dei Gas Effetto Serra Parte 1 I Processi di Refrigerazione Chiariamo i concetti di base La refrigerazione è un aspetto particolare della trasmissione del calore; essa coinvolge la produzione e l'utilizzazione di temperature al di sotto di quella ambiente. Il raffreddamento delle sostanze richiede che il loro calore venga trasferito, attraverso una caduta di temperatura, a mezzi solidi o liquidi o gassosi che si trovano naturalmente oppure sono stati portati artificialmente a una temperatura più bassa. Nelle applicazioni pratiche presenta un interesse rilevante il raggiungimento di temperature più basse per il fluido (chiamato il refrigerante) che circolando continuamente, asporta calore attraverso due processi: 1. espansione del fluido refrigerante attraverso una caduta di pressione in una strozzatura, (valvola di espansione o laminazione) senza produzione di lavoro esterno; 2. espansione del fluido attraverso un salto di pressione in un espansore con produzione di lavoro esterno. 2 Esempio schematico di un ciclo frigorifero a compressione con unità motocondensate e unità di raffreddamento. 1

2 Parte 1 I Processi di Refrigerazione Classificazione delle macchine frigorifere I sistemi che realizzano questi due diversi processi prendono nome rispettivamente di: 1. Compressione di vapore in quanto l'espansione di un liquido saturo deve venir preceduta dalla compressione del suo vapore. L'evoluzione di questo ciclo avviene prevalentemente nella regione liquido-vapore; 2. Compressione di gas in quanto l'espansione del gas deve venir preceduta dalla compressione del gas medesimo. L evoluzione di questo ciclo avviene completamente in fase gassosa. Possiamo quindi classificare le macchine frigorifere nel seguente modo: A. A compressione di vapore B. A compressione di gas C. Ad assorbimento D. Ad effetto termoelettrico E. A termocompressione 3 Parte 1 I Processi di Refrigerazione Ciclo Frigorifero Elementare La refrigerazione meccanica è resa possibile da un appropriato utilizzo delle leggi che governano temperatura, pressione e calore latente di vaporizzazione. La forma più elementare di un sistema frigorifero è quella riportata nella figura che si può vedere qui di fianco. Il fluido frigorigeno evapora nella camera E (evaporatore), assorbendo calore dall'aria dell'ambiente il calore necessario per evaporare. Il gas passa attraverso il tubo A e raggiunge la camera C (condensatore) dove un getto di acqua fredda versata sulle pareti esterne della camera assorbe il calore latente del gas, condensandolo e ritrasformando in liquido. Il fluido poi, percorrendo la tubazione P ritorna nella camera E (evaporatore) e il ciclo ricomincia nuovamente. A Ql E E= Evaporatore C= Condensatore C Qs P 4 2

3 Parte 1 I Processi di Refrigerazione Ciclo Frigorifero Elementare Lo schema della figura precedente illustrava l'utilizzo del calore latente per assorbire e restituire calore. Il sistema infatti a livello teorico in natura potrebbe anche funzionare ma risulterebbe praticamente inutilizzabile visti i tempi di risposta e le inerzie che lo stesso avrebbe per poter compiere le fasi di vaporizzazione e condensazione. Risulta quindi necessario studiare un mezzo (sistema) che permetta al gas di condensarsi ad una temperatura più elevata rispetto al punto di ebollizione nell'evaporatore. Per ottenere questo risultato generalmente si opera tramite l'aumento della pressione nella camera C. che provoca il conseguente aumento del punto di ebollizione del fluido frigogeno e di conseguenza porta anche ad un aumento della sua temperatura di condensazione. Per ottenere questo risultato in tutti i cicli di questo tipo si fa ricorso ad un Compressore qui indicato con la lettera (G). G A Ql E E= Evaporatore C= Condensatore C Qs P 5 Parte 1 I Processi di Refrigerazione Ciclo Frigorifero Elementare A questa pressione superiore il gas condensa ad una temperatura più elevata e, di conseguenza, può essere utilizzata per la condensazione acqua ad una temperatura più alta rispetto al caso illustrato prima. Poiché è necessario mantenere un'alta pressione nel condensatore C, viene installato un detentore (detto anche laminatore o termostatica) L sulla tubazione P del fluido liquido. Questo detentore permette il passaggio verso l evaporatore E della quantità di liquido necessario al buon funzionamento del sistema. Questo aumento di pressione, come vedremo nella slide seguente avviene in un tempo talmente breve da considerare la trasformazione teoricamente come adiabatica, ovvero senza alcun scambio di calore e/o lavoro con l esterno. G A Ql E E= Evaporatore C= Condensatore C Qs P L 6 3

4 Parte 1 I Processi di Refrigerazione Parliamo di Laminazione Avviene quando la presenza di una valvola parzialmente aperta (parzializzazione) oppure la strozzatura creata da un capillare in un condotto portano a una caduta di pressione del gas che si muove con moto stazionario e uniforme. In molti casi questo processo avviene in un tempo talmente breve e in uno spazio talmente ridotto che non vi è tempo sufficiente né una sezione sufficientemente grande per scambiare elevate quantità di calore; il processo può perciò essere considerato adiabatico. Dal momento che non si produce lavoro (le pareti del condotto sono fisse), non vi è variazione di energia potenziale e neppure calore scambiato. Questo fa si che in molti casi l'incremento di energia cinetica sia trascurabile risulta allora H1 = H2 Questa equazione ci dice che l'entalpia finale H2 è, in una laminazione, uguale all'entalpia iniziale H1. La trasformazione è perciò isoentalpica ed è anche irreversibile, a causa delle forti dissipazioni generate dalla strozzatura nel moto del fluido. 7 Ciclo Frigorifero a Compressione - Funzionamento Il ciclo frigorifero a compressione è utilizzato nella maggior parte delle macchine frigorifere e dei condizionatori per scopi di benessere e per utilizzi nel campo della refrigerazione. Questo ciclo produce un trasferimento di calore dal fluido da raffreddare (acqua, soluzioni incongelabili o aria) verso l'atmosfera o l'acqua proveniente da una torre di raffreddamento o disponibile in natura (pozzo, fiume, lago) dove possa venire smaltito liberamente. Il trasferimento del calore avviene all'interno di un circuito frigorifero nel quale circola un fluido refrigerante, per azione di un compressore. Il ciclo frigorifero di base risulta composta da: evaporatore; compressore; condensatore; organo di laminazione. 8 4

5 Nell'evaporatore il refrigerante assorbe calore dall'aria dell'ambiente da raffreddare e viene portato a ebollizione a bassa temperatura. In questa fase si produce la completa vaporizzazione del liquido che raccoglie il calore contenuto nell ambiente da raffreddare. Il refrigerante sotto forma di gas esce dall' evaporatore alla temperatura di ebollizione venendo sottoposto a un leggero aumento di temperatura per raggiungere la condizione di surriscaldamento. Ciò è necessario per fare in modo che l'ebollizione sia completa e non rimangano gocce di liquido che possano essere trascinate verso il compressore (fase di surriscaldamento). Allo stato di gas surriscaldato viene aspirato dal compressore e al suo interno subisce un aumento di pressione e di temperatura. Inoltre raccoglie il calore del motore elettrico che aziona il compressore stesso, raffreddandolo. 9 Ciclo Frigorifero a Compressione - Funzionamento Il gas esce dal compressore ad alta temperatura e ad alta pressione e viene diretto entro la batteria del condensatore. Qui il gas refrigerante caldo viene dapprima raffreddato e poi condensato passando dallo stato di vapore surriscaldato allo stato liquido. Il calore che aveva assorbito dall'ambiente da raffreddare, più l'equivalente termico del lavoro di compressione, viene smaltito nell'atmosfera. Il refrigerante esce quindi dal condensatore allo stato di liquido caldo a pressione elevata. Dal condensatore esso raggiunge l'organo di laminazione. Quest'ultimo può essere una valvola di espansione termostatica o una valvola di espansione elettronica, o un capillare, o un orifizio a sezione controllata. Indipendentemente dal tipo, l'organo di laminazione presenta una certa perdita di carico verso il refrigerante liquido che lo attraversa; la pressione del liquido a valle è sensibilmente minore di quella a monte, pertanto il liquido stesso si espande e passa in parte allo stato di vapore a spese della frazione rimasta liquida che in tal modo si raffredda e raggiunge la temperatura di evaporazione. In realtà, attraverso l'organo di laminazione passa una miscela di refrigerante allo stato di vapore e di liquido. Entro l'evaporatore si completa l evaporazione del refrigerante stesso per effetto del calore sottratto all'aria (o all'acqua) che lo attraversa e che viene raffreddata. 10 5

6 Ciclo Frigorifero a Compressione I Livelli di Pressione II circuito frigorifero tipico delle macchine a compressione risulta suddiviso in due zone in funzione della pressione al suo interno: una zona di bassa pressione, fredda, e una zona di alta pressione, calda. - La zona fredda, a bassa pressione, comprende la parte di valvola termostatica (o dispositivo di laminazione) dove il refrigerante liquido inizia a espandersi, l'evaporatore, la linea di aspirazione e il lato di aspirazione del compressore. - La zona calda, ad alta pressione, comprende il lato eli mandata del compressore, la linea che unisce il compressore al condensatore, il condensatore e la linea del refrigerante liquido fino all' imbocco del dispositivo di laminazione. Il calore da smaltire nel condensatore è maggiore di quello sottratto all evaporatore di circa il 25-35% Questa maggiorazione è dovuta al cosiddetto "equivalente termico del lavoro di compressione". Per fare un esempio, un gruppo refrigeratore d'acqua con 100 kilowatt dovrà smaltire al condensatore un quantitativo di calore maggiore del 25-:-30% pari cioè a 125-:-130 kilowatt. 11 Ciclo Frigorifero a Compressione L efficienza energetica L'efficienza energetica di un ciclo frigorifero (cioè il rapporto tra la sua potenza frigorifera resa e la potenza elettrica assorbita dal compressore) è influenzata da due condizioni: 1) la temperatura (pressione) di evaporazione; 2) la temperatura (pressione) di condensazione. In generale, quanto più alta è la temperatura di evaporazione e quanto più bassa è la temperatura di condensazione, tanto maggiore risulta l'efficienza del ciclo frigorifero. In tali condizioni la potenza frigorifera aumenta e la potenza elettrica assorbita diminuisce. Invece, al ridursi della temperatura di evaporazione e all'aumentare di quella di condensazione le prestazioni del ciclo peggiorano. 12 6

7 Ciclo Frigorifero a Compressione L efficienza energetica Nelle condizioni di lavoro tipiche per la climatizzazione si può ritenere con buona approssimazione che: - ciascun aumento di 1 C della temperatura di evaporazione produce un aumento dell'efficienza energetica tra il 2/3%. All'opposto, per ciascuna diminuzione di 1 C l'efficienza energetica si riduce del 2/3%; - ciascuna riduzione di l C della temperatura di condensazione produce un aumento tra 1,5-2%dell 'efficienza energetica, e viceversa. Nelle macchine con condensatori ad aria, la temperatura di condensazione risulta di norma maggiore di C rispetto alla temperatura a bulbo asciutto dell'aria esterna. Pertanto, con aria esterna a 32 C, la temperatura di condensazione risulta compresa tra 42 e 47 C, secondo le caratteristiche della macchina. 13 Gli Aspetti termodinamici Le Trasformazioni L entalpia è spesso chiamata anche calore totale che rappresenta l energia posseduta da una determinata sostanza. Questa grandezza così come tutte le altre grandezze presenti in un ciclo termodinamico possono essere rappresentate in una serie di grafici tramite rette o curve che ne caratterizzano l andamento. Da qui possiamo dire che un gas subisce una trasformazione termodinamica quando passa da uno stato iniziale, caratterizzato da una pressione un volume e una temperatura, ad uno stato finale caratterizzato da volume pressione e temperatura che possono anche essere diversi. 14 7

8 Gli Aspetti termodinamici Le trasformazioni Questo fenomeno può essere rappresentato tramite una curva di trasformazione. Le trasformazioni possono essere: 1. trasformazione a volume costante (isometrica o isocora); 2. trasformazione a pressione costante (isobara); 3. trasformazione a temperatura costante (isoterma); 4. trasformazione senza adduzione o sottrazione di calore dall'esterno (adiabatica); 5. Trasformazione ad Entropia costante (isoentropica) 6. Trasformazioni ad Entalpia costante (isoentalpica) 15 Gli Aspetti termodinamici Il Ciclo di Carnot 16 IL CICLO DI CARNOT Un ciclo termodinamico è una successione di trasformazioni successive subite da un gas al termine delle quali esso ritorna nelle sue condizioni di partenza. Il primo e il più noto dei cicli studiati è quello di Carnot: esso è racchiuso tra due isoterme reversibili e due adiabatiche reversibili. In esso, un gas, preso nelle condizioni iniziali, 1, viene compresso adiabatica mente fino alle condizioni 2. Il gas compresso viene fatto quindi espandere isotermicamente (dandogli calore durante l'espansione): il lavoro liberato è misurato dall'area a c

9 Gli Aspetti termodinamici Il Ciclo di Carnot IL CICLO DI CARNOT Raggiunto il punto 3 il gas continua ad espandersi adiabaticamente, fornendo il lavoro rappresentato dall'area cd 4 3. Infine il gas, nelle condizioni 4, viene ricompresso isotermicamente fino al punto iniziale 1: il lavoro speso è rappresentato dall'area b d Gli Aspetti termodinamici Il Ciclo Inverso Il ciclo frigorigeno è un ciclo inverso, al contrario di quello che avviene nel ciclo diretto dove l'obiettivo è quello di produrre lavoro, il ciclo inverso è un ciclo percorso in senso antiorario che assorbe lavoro, prelevando il calore ql, dalla sorgente inferiore e cedendo il calore qs alla sorgente superiore. L'area del ciclo inverso rappresenta un lavoro negativo, fatto cioè dall'esterno sull'unità di massa del fluido durante il ciclo. Un ciclo inverso viene realizzato collegando tra loro, in un circuito chiuso lungo il quale circola il fluido di lavoro passando attraverso quattro trasformazioni fondamentali. 1-2 vapore saturo a bassa pressione, entra nel compressore e subisce una compressione adiabatica reversibile (compressione isoentropica); ql l qs = ql + l 18 9

10 Gli Aspetti termodinamici Il Ciclo Inverso 2-3 il calore qs viene ceduto all'ambiente alla temperatura superiore in un processo di condensazione a pressione costante attraverso uno scambiatore di calore, il condensatore, da cui il fluido di lavoro esce come liquido saturo; 3-4 un processo di laminazione adiabatica, che viene realizzato in un organo di espansione, la valvola di laminazione, nel quale il fluido passa dalla pressione più alta alla pressione più bassa, diminuendo contemporaneamente la propria temperatura e conservando l'entalpia, che aveva inizialmente (espansione isoentalpica); 4-1 il calore ql, viene ricevuto dall'ambiente a temperatura inferiore in un processo di evaporazione a pressione costante attraverso uno scambiatore di calore, l'evaporatore, in modo da chiudere il ciclo. ql l qs = ql + l 19 Gli Aspetti termodinamici Coefficiente di effetto frigogeno Le prestazioni di un ciclo inverso frigorigeno vengono espresse attraverso il coefficiente di effetto frigorigeno Cf definito da: Cf = ql/l dove ql, è chiamato effetto frigorigeno, rappresenta il calore massico sottratto alla sorgente a temperatura inferiore dall'evaporatore ed è pari a: ql = h1 h4 Ed l è il lavoro speso nel ciclo e corrisponde al lavoro interno li fornito dal compressore, dato dalla relativa differenza di entalpia: l = h2 h

11 Gli Aspetti termodinamici Coefficiente di effetto frigogeno Ricordiamo poi in base al primo principio della termodinamica che il lavoro l fornito è legato al calore ceduto dal condensatore qs e il calore sottratto nell'evaporatore ql dalla relazione: l = qs ql da cui qs= ql + l dove qs è la differenza di entalpia per desurriscaldare e successivamente condensare il vapore nel tratto 2 3 qs = h2 h3 21 Gli Aspetti termodinamici Coefficiente di effetto frigogeno Ricordiamo infine che la potenza P si ottiene come prodotto della portata in massa del fluido di lavoro m per il calore massico q: P = m * q relazione che viene utilizzata non tanto per ricavare la potenza, di solito assegnata, quanto per ottenere la portata di fluido di lavoro necessaria per soddisfare le richieste di un dato impianto

12 I Diagrammi Entalpici La rappresentazione dei cicli inversi viene fatta di solito nel diagramma pressione p (in ordinate) ed entalpia h (in ascisse). La Figura mostra lo scheletro di un diagramma p_h con riportate la curva limite che racchiude la regione liquidovapore, insieme alla posizione del punto critico, e le linee principali caratterizzate dalla costanza di titolo x, volume massico v, temperatura T, entropia s, pressione p (quest'ultima all'interno della regione liquidovapore si sovrappone alla linea a T costante); naturalmente i segmenti di retta verticali sono le isoentalpiche. 23 I Diagrammi Entalpici 1. La zona a sinistra della Campana ed esterna ad essa rappresenta la fase Liquida. 2. La zona all'interno della Campana rappresenta le condizioni in cui ci sono contemporaneamente le fasi liquida e vapore 3. L'apice della Campana rappresenta il punto critico. AI di sopra di questo punto non vi è più distinzione tra fase liquida e fase gassosa causa i valori che assume la densità del liquido. 4. La zona a destra della campana rappresenta la fase gassosa o del vapore saturo secco Liquido 2 Liquido e Vapore 3 Punto Critico 4 Gas o Vapore Saturo Secco 12

13 I Diagrammi Entalpici 5. Liquido Saturo. La linea a sinistra del punto critico rappresenta per ogni singolo valore di pressione l inizio della fase di vaporizzazione (Punto di ebollizione). 6. Vapore Saturo. La linea a destra del punto critico rappresenta per ogni singolo valore di pressione il punto di termine della trasformazione liquidogas. 7. Curve Isotitolo. Rappresentano, ad una data pressione e in un determinato punto, la percentuale di liquida e di vapore che caratterizzano quella fase di una determinata sostanza Liquido Saturo 7 Curve Isotitolo 3 Punto Critico 6 Vapore Saturo I Diagrammi Entalpici 8. Isoterme. Linee che rappresentano la temperatura costante possiedono per un azeotropico queste caratteristiche: Parte A: Nella zona liquido hanno un andamento quasi verticale dato dalla non comprimibilità del liquido stesso. Questo indica che basta un piccolo aumento di temperatura perché, ci sia un deciso aumento di pressione. Parte B: Nella zona interna della campana ad una pressione costante anche la temperatura risulta essere costante non cambia. Questo è messo in rilievo dall'andamento orizzontale delle isoterme. Parte C: Nella zona del vapore le isoterme assumono andamento curvilineo. Diminuendo la temperatura, sempre nella ipotesi di volume costante, diminuisce in modo abbastanza brusco anche la pressione. 26 Stato Azeotropico A B C 13

14 I Diagrammi Entalpici Glide: Si noti che nel caso di un refrigerante zeotropo (esempio il 407c), le isoterme, all'interno della campana non sono orizzontali ma inclinate. Maggiore è l inclinazione maggiore è l effetto Glide della miscela minore è l inclinazione minore è l effetto. Se lo scostamento (glide) è al di sopra del grado centigrado la miscela viene classificata nel campo delle Zeotripiche. Se invece lo scostamento di temperatura presenta valori minimali che si aggirano nell ordine di decimi di grado allora la miscela è classificata come parzialmente azeotropica. 27 Glide A Stato Zeotropico C Il Ciclo frigorifero Ideale Il diagramma che rappresenta un ciclo frigorifero ideale è riferito ad 1 Kg di sostanza, quindi tutte le differenze di Entalpia si riferiscono a questa quantità di refrigerante. Con riferimento al diagramma qui riportato nel descrivere il ciclo partiremo dal tratto 4-1 rappresentante la trasformazione che avviene all'interno dell'evaporatore. Si mette in evidenza come non sia possibile partire dalla condizione di liquido puro, cioè sulla parte curva a sinistra ma si partirà da un certo titolo ovvero da una certa concentrazione di liquido vapore

15 Il Ciclo frigorifero Ideale L effetto frigorigeno Ql relativo alla evaporazione del fluido di lavoro a pressione (e temperatura) costante si legge sulle ascisse come differenza tra h1 e h4. Il lavoro di compressione l che avviene lungo la linea a entropia costante piegata verso destra, viene letto, in ascissa, come differenza tra h2 e h1. Il calore ceduto dal condensatore Qs, che avviene inizialmente, durante la fase di desurriscaldamento del vapore, a pressione costante e successivamente sempre alla stessa pressione costante (ma anche a temperatura costante), durante la condensazione, viene letto sempre sulle ascisse come differenza di h2 e h3. 29 Il Ciclo Frigorifero Ideale Infine la laminazione dal punto 3 al punto 4, essendo una lsoentalpica, permette di far individuare il punto 4 scendendo dallo stato di liquido saturo in 3 lungo il tratto verticale 3-4 fino a incontrare l'orizzontale, a pressione costante, lungo cui avviene l'evaporazione. Sempre sul diagramma p_h conviene rilevare il volume massico V1 [m3/kg] nel punto 1 in modo da calcolare, nota la portata in massa m [kg/s] del fluido la portata in volume Vi [m3/s]. Vi = m * V1 Questo dato è utile per il dimensionamento del compressore

16 31 Tratto 4-1 Vaporizzazione In questo tratto il liquido che proviene dalla valvola di espansione o dal capillare è già in parte evaporato, quindi solo una parte di liquido è teoricamente disponibile per la evaporazione nell'evaporatore più o meno all evaporatore arriva una titolo X 80L 20G. Nel punto 1 evaporano le ultime tracce di liquido, quindi a destra di questo punto non vi è più fase liquida ma solo fase vapore. Vedremo che nel ciclo reale a questa fase ne seguirà una altra definita di Surriscaldamento. Una volta surriscaldato (questo ci dà la certezza che non siano presenti in sospensione piccole particelle di liquido) il refrigerante esce dall'evaporatore e, tramite la tubazione di ritorno. La differenza di Entalpia tra il punto finale della trasformazione 1, ed il punto iniziale 4, rappresenta la energia che il refrigerante assorbe dall'esterno per ogni ciclo frigorifero. Questa la si può anche definire come l'effetto frigorifero generato da 1 Kg di quel determinato refrigerante per ogni ciclo termico. 4 1 Tratto 1-2 Compressione Il tratto 1-2 rappresenta la trasformazione nel compressore. E ovvio che in questo tratto vada ad aumentare sia la pressione e di conseguenza anche la temperatura del refrigerante. Altra cosa importante è che la trasformazione avviene tutta in fase di gas. La differenza di Entalpia tra il punto 2 ed il Punto 1 rappresenta l energia ceduta dal compressore al refrigerante, cioè l energia che entra in gioco per compiere la trasformazione escluse le perdite varie per dissipazione (questa trasformazione è infatti isoentropica e quindi non considera perdite e attriti). L inclinazione del tratto 1-2 corrisponde quindi a una maggiore o minore efficienza energetica del compressore. Minore è l'inclinazione, maggiore è la quantità di energia necessaria e maggiore sarà la temperatura raggiunta dal gas all uscita dal compressore e viceversa

17 Tratto 1-2 Compressione Questa inclinazione e di conseguenza l'efficienza con cui viene compiuta la fase 1-2 dipende da: 33 1) la natura del refrigerante; 2) il tipo di compressore (alternativo, scroll, vite ecc); 3) le caratteristiche costruttive del compressore; 4) l'efficienza del motore elettrico semiermetico ed ermetico; 5) il rapporto di compressione. Resta inteso che, come vedremo nell esempio che segue, aumentando il rapporto di compressione aumenta l energia elettrica assorbita, la temperatura di scarico dei gas e si registra di conseguenza un calo di rendimento del compressore medesimo Tratto Condensazione Il tratto rappresenta ciò che termodinamicamente avviene nel condensatore. Se consideriamo i tratti di impianto non influenti in 2 ho le condizioni in cui il fluido esce dal compressore ed entra nel condensatore. Il tratto 2-2 rappresenta il raffreddamento del gas dalle condizioni di uscita dal compressore alle condizioni di rugiada in cui inizia a formarsi la fase liquida. La differenza di Energia 2-2 rappresenta il raffreddamento che avviene nella fase gassosa e generalmente è indicato con il termine di desurriscaldamento. La differenza di Entalpia tra 2 e 3 è il calore latente di condensazione (quantità di calore che 1 Kg di sostanza a quella pressione deve cedere ad un fluido esterno per passare di stato. Vi è poi il Sottoraffreddamento qui non rappresentato. Infatti è normale far uscire il liquido ad una condizione lievemente più fredda di quella che avrebbe allo stato di liquido saturo. Questo, oltre ad avere una buona influenza sul corretto funzionamento dell organo di laminazione aumenta anche l efficienza del ciclo reale come vedremo più avanti nella lezione

18 Tratto 3-4 Laminazione Il tratto 3-4 rappresenta quello che accade dalla uscita del condensatore alla uscita della valvola di espansione o del capillare. Questo tratto è verticale, cioè in questa trasformazione non vi teoricamente è una variazione di energia, quindi nessuna quantità di calore viene scambiato con l'esterno ovvero ciò che si perde come pressione si guadagna come abbassamento della temperatura. Come detto non trattandosi di fluidi ideali ma reali anche in questa fase si presentano lievi scostamenti che però risultano essere non significativi per il bilancio energetico totale. In questo tratto è presente una caduta di pressione con conseguente raffreddamento del liquido senza la comparsa della fase gassosa, quindi senza una variazione apprezzabile del volume specifico. 3 A questo riguardo si ricorda che nelle condizioni reali in casi particolari è possibile si verifichi un fenomeno denominato Flash Gas che sostanzialmente consiste in una vaporizzazione anticipata di 4 una parte di refrigerante nel tratto di impianto comprendente il laminatore causa eccessive perdite di carico o carenti isolamenti dell impianto stesso. 35 Tratto 3-4 Laminazione Fenomeno questo che va a discapito della resa complessiva del ciclo frigorifero. Nel tratto della laminazione che si muove all'interno della campana vi è la comparsa della fase gassosa che risulterà tanto maggiore quanto minore sarà la pressione e di conseguenza la temperatura che si vuole raggiungere. 3 Si noti che l'effetto frigorifero, cioè la quantità di fase liquida disponibile per l'evaporazione, è tanto minore quanto più si scende con la pressione, e quindi la temperatura, a cui far avvenire la evaporazione

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20 Consigli per l Uso Nel caso in cui la portata sia inferiore a 0,24 m3/s conviene utilizzare un compressore alternativo, mentre al di sopra di questo valore si preferisce utilizzare un turbocompressore. Le temperature di evaporazione e di condensazione, evidenziate sul ciclo sono necessariamente diverse da quelle dell'ambiente a cui si vuole rispettivamente sottrarre e cedere calore. L'evaporatore e il condensatore sono infatti degli scambiatori e quindi, per garantire lo scambio termico, occorre che, durante l'evaporazione, il fluido si trovi a una temperatura più bassa di quella dell'ambiente dal quale esso assorbe calore, mentre, durante la condensazione, il fluido si deve trovare a una temperatura maggiore di quella dell'ambiente al quale esso cede calore. Queste differenze di temperatura sono in genere dell'ordine di circa 10 C; così se, ad esempio, si vuole mantenere la temperatura di una cella per la conservazione di alimenti alla temperatura di -10 C con una temperatura dell'ambiente esterno pari a + 20 C, la temperatura di evaporazione del fluido nel ciclo dovrà essere di - 20 C, mentre quella di condensazione dovrà essere pari a + 30 C. 39 Consigli per l Uso In questo caso la differenza di temperatura tra i due ambienti, la cella fredda e l'esterno caldo, è pari a 30 C, mentre la differenza tra la temperatura di evaporazione e quella di condensazione del fluido nel ciclo è pari a 50 C. In genere si cerca di tener più bassa possibile la differenza di temperatura tra evaporazione e condensazione per ovvi motivi di risparmio di energia. In alcuni casi tuttavia altre considerazioni di ingombro e di condizioni di lavoro dell'evaporatore e del condensatore intervengono a modificare in modo sostanziale il criterio prima enunciato. Ad esempio, nei condizionatori da finestra l'ambiente dal quale l'evaporatore preleva calore si può trovare a 25 C e il fluido evapora a O C, mentre l'ambiente a cui il condensatore cede calore può trovarsi a 35 C e il fluido condensa a 50 C; perciò una differenza di temperatura tra i due ambienti di 10 C, deve essere amplificata fino a 50 C nel ciclo in cui opera il fluido

21 Il Ciclo Frigorifero Reale Il ciclo effettivo di refrigerazione differisce dal ciclo ideale principalmente a causa della caduta di pressione che il fluido incontra nel muoversi all'interno delle tubazioni che collegano i vari elementi dell'impianto e per il trasferimento di calore verso oppure dall'esterno. La Figura mette in rilievo la caduta di pressione all'aspirazione e quella relativa alla mandata. In questa figura è anche possibile osservare la leggera condizione di surriscaldamento del vapore all'inizio della compressione (1 al posto dello stato 1 di vapore saturo). 41 Il surriscaldamento ha lo scopo di evitare che il fluido aspirato dal compressore contenga tracce di liquido. Nel caso infatti di un compressore alternativo, alla fine della corsa di compressione, la presenza di liquido nello spazio morto del cilindro potrebbe addirittura portare al distacco della testa del cilindro per la mancanza di comprimibilità del liquido. Sempre sulla Figura si osserva il leggero sottoraffreddamento. Fenomeno per cui il fluido cede calore nel condensatore non solo fino a condensare completamente (tratto 2 3 ), ma si raffredda ulteriormente (da 3 a 3), sempre alla stessa pressione. 42 Flash Gas 21

22 Il Ciclo a più Stadi Fino a ora abbiamo trattato il caso di impianti che lavorano con differenze di temperatura tra evaporazione e condensazione piuttosto modeste. Nelle applicazioni si trova spesso la necessità di realizzare un'elevata differenza di temperatura, a cui va associato un alto valore del rapporto tra la pressione iniziale e finale del vapore. Si fa uso allora di una compressione in due stadi. Rispetto alla compressione in un solo stadio questa compressione permette di raggiungere temperature più basse alla fine della compressione con un lavoro di compressione più modesto a causa del raffreddamento intermedio, che fa scendere la temperatura. 43 Tale accorgimento produce notevoli vantaggi: per primo riduce il lavoro di compressione, basta ricordarlo dalla relazione della compressione a stadio unico: Lc = h2l h1. Con la compressione realizzata da un compressore bistadio risulta invece la seguente: Lc = (h2 h1) + (h4 h3). Per realizzare tale ciclo bisognerà utilizzare un compressore bistadio e la refrigerazione intermedia che dovrà sottrarre la quantità di calore: qr = h2 h3 mediante un opportuno refrigerante. 44 Compressione a Due Stadi Un aumento del coefficiente di effetto frigorifero può essere ottenuto effettuando una compressione a due stadi refrigerando il fluido frigorifero all uscita della prima fase di compressione. 22

23 Compressione due stadi con refrigerazione intermedia e sottoraffreddamento Per migliorare ulteriormente il coefficiente di effetto frigorifero oltre a diminuire il lavoro di compressione si procede al sottoraffreddamento del liquido frigorigeno. Si ottiene così un aumento dell effetto frigorifero ed una diminuzione del lavoro di compressione. Utilizziamo come fluido refrigerante lo stesso fluido frigorigeno del circuito sia per effettuare la refrigerazione intermedia del fluido frigorigeno, tra i due stadi del compressore, che per sottoraffreddare il fluido frigorigeno all uscita del condensatore. L impianto può essere realizzato in due modi con cicli frigoriferi differenti, noi analizzeremo un impianto frigorifero a due stadi con espansione intermedia parziale:. 45 Compressione due stadi con refrigerazione intermedia e sottoraffreddamento Si osserva l uscita del fluido frigorigeno dal condensatore (6),impianto frigorifero con compressione a due stadi con refrigerazione intermedia e sottoraffreddamenti lo stesso fluido si divide secondo due tubazioni distinte, una piccola parte di esso (x) viene inviata alla valvola di laminazione dove si espande alla pressione Pi ed inviata direttamente al refrigeratore intermedio (7). Allo stesso arriva il fluido frigorigeno surriscaldato proveniente dal primo stadio di compressione. I due fluidi si miscelano nella parte superiore, uno desurriscaldandosi e l altro vaporizzando (x). L altra aliquota (1-x) proveniente dal condensatore entra nel refrigeratore intermedio che funziona anche come uno scambiatore a superficie e si raffredda per poi entrare nella valvola di laminazione principale. Il fluido frigorigeno passa così dal punto 6 al punto 8 sottoraffreddandosi. Con l espansione nella valvola di laminazione principale il fluido frigorigeno si porta nel punto 9 all entrata dell evaporatore, esce vaporizzato nel punto 10 e si surriscalda passando da 10 a 1, per compiere poi un nuovo ciclo

24 Parte 1 I Processi di Refrigerazione Guardiamo una applicazione tipo. La illustra un sistema frigorifero che utilizza esattamente il medesimo ciclo visto precedentemente. Consideriamo di impiegare un fluido frigorigeno come l R22 e lo riscaldiamo, nell'evaporatore A, fino a 4 C, troveremo una pressione nell'evaporatore pari a 565,71 kpa. Non tenendo conto delle perdite di carico dovute all'attrito si può approssimare il ciclo dicendo che la pressione all'entrata del compressore B è ancora di 565,71 kpa. Qui la pressione del fluido frigorigeno può essere aumentata da 565,71 a 1.688,50 kpa, pressione di ingresso al condensatore C. 47 Parte 1 I Processi di Refrigerazione Guardiamo una applicazione tipo. R22 Saturo Caratteristiche a 4 C Pressione kpa =565,71; Massa Volumica liq.=1,271; Massa Volumica Gas=0,024; Entalpia=202,08 kj/kg R22 Saturo Caratteristiche a 44 C Pressione kpa =1.688,5; Massa Volumica liq.=1,113; Massa Volumica Gas=0,073; Entalpia=162,13 kj/kg All'interno del condensatore C il gas compresso è in contatto diretto con il serpentino all'interno del quale circola l'acqua di raffreddamento: se l'acqua è più fredda del gas quest'ultimo cede calore ad essa ed inizia la condensazione. Poiché il compressore mantiene una pressione di 1.688,50 kpa all'interno del condensatore, ed il fluido frigorigeno è portato a condensarsi, il gas deve essere saturo. Il fluido R22 allo stato gassoso saturo ed alla pressione di 1.688,50 kpa ha una temperatura di 44 C (temperatura di condensazione). A causa della elevata pressione esistente nel condensatore, il fluido frigorigeno liquido è spinto verso la valvola termostatica E, da cui passa verso l'evaporatore A secondo le necessità: all'interno dell'evaporatore il liquido si ritrasforma in gas ed il ciclo ricomincia

25 Parte 1 I Processi di Refrigerazione Utilità delle Tabelle. Un po di Conti Per rendere maggiormente' evidente l'utilità delle tabelle vediamo di precisare meglio il sistema di calcolo. Sia un carico di 20 kw, o kj/h, all'evaporatore di un fluido frigorigeno R22 una temperatura di evaporazione di + 4 C; una temperatura di condensazione di + 44 C; Determinare: - utilizzando le tabelle, la portata di fluido necessaria; - il dimensionamento del compressore.. 49 Parte 1 I Processi di Refrigerazione Utilità delle Tabelle. Un po di Conti Per rendere maggiormente' evidente l'utilità delle tabelle vediamo di precisare meglio il sistema di calcolo. Sia un carico di 20 kw, o kj/h, all'evaporatore di un fluido frigorigeno R22 una temperatura di evaporazione di + 4 C; una temperatura di condensazione di + 44 C; Determinare: - utilizzando le tabelle, la portata di fluido necessaria; - il dimensionamento del compressore

26 Parte 1 I Processi di Refrigerazione Utilità delle Tabelle. Portata di Fluido Nella tabella di prima leggiamo l'entalpia del refrigerante a + 44 C, temperatura alla quale il fluido lascia il condensatore, che è pari a 255 kj/kg Nella stessa tabella troviamo l'entalpia totale del gas a + 4 C, temperatura alla quale il fluido lascia l'evaporatore, che è pari a 406,8 kj/kg. L'effetto frigorifero del ciclo è uguale alla differenza di entalpia tra liquido e gas all'inizio e fine del ciclo, quindi: 406,8-255,0 = 151,8 kj per kg La portata di R22 necessaria al nostro sistema è dunque pari al carico totale in kj/h diviso per l'effetto frigorifero di ogni kg di refrigerante. Portata in massa di R22 = kj/h/151,8 kj/kg = 474,3 kg/h da cui deriva 474,3/3600 = 0,132 kg/s 51 Parte 1 I Processi di Refrigerazione Utilità delle Tabelle. Dimensionamento del Compressore In corrispondenza di + 4 C leggiamo una pressione di 567,71 kpa ed a + 44 C una pressione di 1.688,50 kpa. Dividendo la pressione sul lato premente del compressore Mandata - (1.688,50 kpa) per la pressione lato aspirazione (567,71 kpa) si ottiene il rapporto di compressione che è: 1.688,5/567,71 = 2,98. Il rapporto di compressione è calcolato sempre a partire dai valori delle pressioni assolute: non si devono mai utilizzare le pressioni relative. Rileviamo la massa volumica del gas a + 4 C che è di 0, kg per m 3 quindi il compressore dovrà pompare: 0,132 / 24,03 = 0,0055 m3/s o in alternativa 474,3 / 24,03 = 19,7 m 3 /h 52 26

27 Parte 1 I Processi di Refrigerazione Utilità delle Tabelle. Dimensionamento del Compressore Se i compressori avessero un rendimento del 100% un compressore con una portata di 5,5*10-3 m 3 /s sarebbe sufficiente a risolvere il nostro problema. Ma come vedremo il rendimento di un compressore varia in funzione del rapporto di compressione. Il rendimento diminuisce quando il rapporto di compressione aumenta e viceversa. Per il nostro esempio ipotizziamo un rendimento dell'82% in volume, la portata reale del compressore sarà quindi uguale alla portata necessaria diviso il rendimento volumetrico in valori decimali: (5,5 * 10-3 ) / 0,82 = 6,7 * 10-3 m 3 /s o in alternativa 24,0 m 3 /h 53 I REFRIGERANTI NATURALI Capacità Frigorifera e COP Qui di seguito sono riportati alcuni grafici che mostrano la capacità frigorifera ed il COP dell'r-22 in rapporto all R-404 A in condizioni di refrigerazione in "bassa temperatura" (BT). L'utilizzo di questi refrigeranti avviene ormai da qualche anno, ma con risultati qualche volta contrastanti, per quanto riguarda la sostituzione dell'olio e la compatibilità del refrigerante con alcuni componenti del compressore. La presenza di una piccola parte di HC (da un 3,4 ad un 5%) o di isobutano R600 e R601 (circa il 2%) nella miscela, non modifica l'appartenenza al gruppo di sicurezza A1 (non infiammabile e poco tossici) della miscela stessa. Comunque sono stati già realizzati numerosi retrofit di sistemi ad HCFC e CFC che, secondo il produttore del fluido refrigerante, dimostrano quanto segue: La sostituzione dell'r22 con R404 in chillers o in impianti di refrigerazione a temperatura normale o medio bassa, permette di ottenere Capacità di Refrigerazione paragonabili all'r22, con evidenti risparmi energetici

28 I REFRIGERANTI NATURALI Capacità di Raffreddamento (-31,7 C Evaporazione e 5,6 K condensazione) 55 Capacità di raffreddamento kw 9,5 8,5 R 404 A 7,5 6,5 5,5 R ,5 3, Temperatura di Condensazione C I REFRIGERANTI NATURALI COP (-31,7 C Evaporazione e 5,6 K condensazione) 2,4 2,2 2 R 404 A C.O.P. 1,8 1,6 1,4 R , Temperatura di Condensazione C 28

29 Materiale Didattico per il Conseguimento del Patentino per il Trattamento dei Gas Effetto Serra GRAZIE PER L ATTENZIONE 29