Messa a punto di un sistema di acquisizione dati per la valutazione delle prestazioni di una macchina ad assorbimento

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PERUGIA Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Energetica Sede di Terni Anno Accademico Relazione finale Messa a punto di un sistema di acquisizione dati per la valutazione delle prestazioni di una macchina ad assorbimento Relatore: Prof.ssa Cinzia Buratti Laureando: Leonardo Temperoni Correlatore: Ing. Michele Urbani

2 Introduzione Il riscaldamento globale dell atmosfera terrestre a causa dell accumulo di gas serra sembra mettere a repentaglio i complessi equilibri meteoclimatici del pianeta. Per limitare le emissioni di CO 2 e di CFC, ritenuti fra i principali responsabili dell effetto serra e della diminuzione dello strato di ozono che circonda l atmosfera, negli scorsi anni sono stati firmati due documenti di fondamentale importanza: il Protocollo di Montreal e il Protocollo di Kyoto. In tali accordi si è definito un programma di riduzione delle emissioni climalteranti da parte dei Paesi che li hanno ratificati, da attuare con restringimenti sempre maggiori fino al Una via efficace per il contenimento della produzione di CO 2 è costituita dall impiego di energia degradata, proveniente, ad esempio, da sistemi di conversione energetica o da processi industriali, altrimenti destinata alla dispersione nell ambiente. Attualmente l energia frigorifera è prodotta prevalentemente mediante macchine frigorifere a compressione, alimentate mediante energia elettrica derivante dall uso di fonti fossili. I cicli frigoriferi alimentati con cascami di calore rappresentano un applicazione promettente per la soluzione di problematiche energetico-ambientali; fra le possibili soluzioni tecniche risulta particolarmente interessante il ciclo ad assorbimento funzionante con la soluzione acqua-bromuro di litio, dato che tale coppia refrigerante-assorbente è caratterizzata da numerosi vantaggi quali l elevato calore di trasformazione e la non tossicità e pericolosità. In questo lavoro di tesi è stato analizzato il funzionamento di una macchina frigorifera ad assorbimento a doppio effetto Yazaki Aroace CH G 30 H funzionante con la soluzione acqua-bromuro di litio, avente una potenza frigorifera nominale di 105 kw e una potenza termica nominale di 127 kw; un bruciatore a fiamma diretta, alimentato a gas naturale, fornisce l apporto energetico necessario al funzionamento del gruppo refrigerante/riscaldante. L utenza termica è costituita dai Laboratori di Fisica Tecnica della Facoltà di Ingegneria di Terni. Dopo uno studio teorico, riguardante il funzionamento della macchina e delle prestazioni della stessa, si è passati alla descrizione dei circuiti presenti nell impianto: I

3 - circuito di alimentazione del combustibile; - circuito idraulico per la distribuzione del fluido termovettore agli elementi terminali; - circuito idraulico per il raffreddamento della macchina frigorifera ad assorbimento connesso alla torre evaporativa. Le grandezze lette sono misurate da sensori di temperatura e portata, inseriti in varie parti della macchina ad assorbimento e nei circuiti annessi. I misuratori comunicano con un sistema di acquisizione dati, composto da moduli Compact FieldPoint della National Instruments, che provvede ad elaborare il segnale in uscita dai sensori stessi. I segnali di uscita sono per le termoresistenze in resistenza e per i misuratori di pressione in corrente, i quali sono convertiti in temperatura e pressione dal software installato in ambiente LabView. Successivamente è stato monitorato l andamento temporale di tutte le grandezze misurate durante il funzionamento estivo della macchina e si è implementato un metodo di calcolo per la valutazione dell effetto utile della macchina. L implementazione ha permesso il calcolo in tempo reale delle prestazioni della macchina frigorifera ad assorbimento in funzionamento estivo. I risultati ottenuti sono stati graficati insieme all andamento delle temperature acquisite durante il funzionamento dell impianto in modalità di raffrescamento ambientale. II

4 1.1 Introduzione sono macchine termiche che utilizzano una fonte di calore per produrre energia frigorifera. Il loro scopo è quello di trasferire del calore da una sorgente fredda ad una sorgente calda e quindi realizzano la contemporanea nobilitazione e degradazione di differenti quantità di calore. In base al Secondo Principio della Termodinamica (enunciato di Clausius), l innalzamento di temperatura di una quantità di calore richiede l impiego di un fenomeno di compenso, che, nel caso delle macchine ad assorbimento, consiste nel passaggio di un altra quantità di calore da una temperatura più alta ad una temperatura più bassa. 1.2 Classificazione delle macchine ad assorbimento [1] Una macchina ad assorbimento lavora sfruttando tre livelli di temperatura (ipotizzandone due pressoché uguali). A seconda della posizione di ciascun livello rispetto alla temperatura ambiente, si ha la suddivisione delle macchine ad assorbimento in quattro gruppi, come mostrato in Fig. 1.1: a) macchine frigorifere ad assorbimento; b) pompe di calore ad assorbimento; c) macchine a doppio effetto ad assorbimento; d) trasformatori di calore. 1

5 Tg Ta Tg T3 Tg Tge T3 Tac T3 Tac T0 = temperatura ambiente T0 Tac Tc T2 Te Te Pompa di calore T2 Te Trasformatore di calore Macchina frigorifera Macchina a doppio effetto (frigorifera + pompa di calore) Figura 1.1 Modalità di funzionamento delle macchine ad assorbimento. Le macchine frigorifere ad assorbimento trasferiscono il calore Q 2 da una temperatura T 2 alla temperatura ambiente T 0, essendo T 2 <T 0. Il fenomeno di compenso consiste nel trasferimento del calore Q 1 da T 1 a T 0, essendo T 1 >T 0. Le pompe di calore ad assorbimento trasferiscono il calore Q 2 dalla temperatura ambiente T 0 alla temperatura T 3, essendo T 3 >T 0. Il fenomeno di compenso consiste nel trasferimento di calore Q 1 da T 1 a T 3, essendo T 1 >T 3. Le macchine a doppio effetto ad assorbimento svolgono sia le funzioni di pompa di calore che di macchina frigorifera. In esse il calore Q 2 è trasferito dalla temperatura T 2 alla temperatura T 3, essendo T 2 <T 0 e T 3 >T 0. Il fenomeno di compenso consiste nel trasferimento del calore Q 1 da T 1 a T 3, essendo T 1 >T 3. La macchina realizza 2

6 contemporaneamente la sottrazione del calore Q 2 alla temperatura T 2 e la fornitura del calore Q 2 +Q 1 alla temperatura T 3. I trasformatori di calore hanno la funzione di trasferire il calore Q 2 dalla temperatura T 3 alla temperatura T 1, essendo T 1 >T 3. Il fenomeno di compenso consiste nel trasferimento del calore Q 1 da T 3 a T 0, essendo T 3 >T 0. Tali macchine esistono perché in natura sono presenti sostanze in grado di consentirne l attuazione. Queste sostanze sono le soluzioni liquide sature, sistemi termodinamici a due componenti e due fasi, liquido e vapore. 1.3 Classificazione dei gruppi frigoriferi ad assorbimento [1] Esistono varie tipologie di gruppi frigoriferi ad assorbimento. Una divisione può essere effettuata sulla base della fonte di energia termica ed un altra sulla base della soluzione contenuta all interno del circuito frigorifero. L energia termica può essere fornita: - da una fiamma diretta, ovvero bruciando direttamente combustibile nel generatore; - da vapore; - da acqua calda, purché a temperatura superiore a 75 C. Dal punto di vista del fluido di lavoro, sono molte le soluzioni che, in linea teorica, possono essere utilizzate, ma nella pratica ne vengono utilizzate due: - Acqua Bromuro di Litio (H 2 O-LiBr); - Ammoniaca Acqua (NH 3 -H 2 O). Delle due sostanze che formano la miscela una svolge la funzione di refrigerante, mentre l altra svolge la funzione di assorbente. Nella fattispecie, nel ciclo ad acqua e bromuro di litio è l acqua a fungere da refrigerante e il bromuro di litio da assorbente, mentre nel ciclo ammoniaca - acqua è l ammoniaca il refrigerante e l acqua l assorbente. I requisiti fondamentali che si richiedono per una coppia refrigerante-assorbente possono essere riassunti come indicato: - elevata solubilità dell assorbente nel refrigerante alla temperatura dell assorbitore ed alla pressione corrispondente alla temperatura di saturazione dell evaporatore; - calore di evaporazione del refrigerante alla temperatura di evaporazione elevato; 3

7 - calore differenziale di soluzione basso sia nelle condizioni di temperatura e pressione esistenti nel generatore sia in quelle dell assorbitore, per limitare sia la quantità di calore da fornire sia la portata d acqua di raffreddamento; - volatilità dell assorbente molto inferiore rispetto a quella del refrigerante: ciò è necessario per limitare, e, ove possibile, eliminare del tutto le apparecchiature di rettifica. L impianto sperimentale oggetto di studio è una macchina ad assorbimento a doppio effetto funzionante con la soluzione H 2 O-LiBr che presenta minori inconvenienti rispetto alla soluzione NH 3 -H 2 O. Le macchine funzionanti ad ammoniaca-acqua sono utilizzate solo per scopi industriali e quando si deve lavorare a temperature al di sotto di 0 C, che non possono essere raggiunte con l acqua per il pericolo di solidificazione. 1.4 Principio di funzionamento di una macchina ad assorbimento a doppio effetto [1] La refrigerazione e la cessione di calore del fenomeno di compenso possono avvenire contemporaneamente e con continuità in una macchina ad assorbimento a funzionamento continuo. Essa è composta essenzialmente da quattro componenti: il generatore G, il condensatore C, l evaporatore E e l assorbitore A, come schematizzato in Fig