Gli Impianti Frigoriferi (versione β)

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1 isia tnia Sistmi Enrgtii II Gli Impianti rigorifri (vrsion β) Appunti dl 17/03, 6/03 Il ilo frigorifro idal & il.o.p. In impianto frigorifro ha il ompito di trasfrir alor da una sorgnt a bassa tmpratura vrso un ambint ad alta tmpratura. Tal trasfrimnto implia l utilizzo di una rta quantità di lavoro, in quanto naturalmnt è impossibil. Un ilo idal frigorifro si ompon di du trasformazioni isotrm du isontropih d è rvrsibil 1. Nlla raltà è nssario rimuovr aluni di vinoli sistnti pr l trasformazioni idali oprar tra diffrnz di tmpratur finit. Sono puliari, all intrno dl frigorifro, l tmpratur di ondnsazion di vaporazion dl fluido rfrigrant (T T ) l quali sono al di sopra d al di sotto dll tmpratur T max T min in ui si trovano i du ambinti. Il alor va ad intragir ni passaggi di stato di tal fluido. Al fin di farlo passar dall tmpratur T T, il fluido vin fatto passar attravrso un omprssor d una valvola di spansion. Anh pr l mahin frigorifr, è possibil dfinir un indiator di ffiinza il offiint of Prforman o.o.p:, sritto om:. O. P. Efftto. Util Spsa. nssaria idal Q ; E Equazion 1: Dfinizion dl offiint of Prforman La ragion pr la qual è dfinito om.o.p: non om ffiinza, è da rirarsi nl fatto h tal.o.p. può anh ssr maggior di 1 (al ontrario di qualsiasi dfinizion di una η). L Equazion 1 può ssr modifiata om sgu:. O. P. idal T T T ; EffttoUtil. Q Spsa. nssaria E Q Q Q T S T S T S Equazion :.O.P. in funzion dll tmpratur 3 T T Tma x Tmin T QE QE Q Q igura 1: ilo frigorifro idal ral E S E S 1 Un ilo rvrsibil è tal in quanto può ssr invrtito produrr potnza, muovndo l mdsim quantità di alor. Un ilo può ssr rvrsibil s sambia quantità di alor infinitsim tra sorgnti la ui diffrnza di tmpratura si dt. Stant l inutilità di farlo, si può dir h l irrvrsibilità aumntano alòl aumtar dlla diffrnza finita di tmpratur. O valvola di laminazion 3 La sonda riga si avval dl fatto h l trasformazioni hanno l stss variazioni di ntropia. Pagina 1 di 6

2 isia tnia Sistmi Enrgtii II I frigorifri All intrno di un frigorifro sono quindi individuabili gli lmnti di ui avvngono l trasformazioni: 3 Valvola di Laminazion omprssor 4 1 igura : Shma di un frigorifro Du di qust trasformazioni sono ondnsazioni vaporazioni h sguono l quazioni pr gli sambiatori di alor; i loro grafii sono: T T aso di vaporazion Q aso di ondnsazion Q T 1,on T 1,va igura 3: Grafii di ambiamnti di stato ni frigorifri L trasformazioni possono anh ssr adguatamnt rapprsntat su di un piano T/S visualizzant la urva limit dl fluido volvnt, nl qual si ossrva: 1. as 1 : omprssion on aumnto dll ntropia nl omprssor, tmpratura sal alla massima dl ilo.. as - 3 : dsurrisaldamnto ondnsazion fino a sndr a qualh grado nlla ondizion di liquido sottoraffrddato. 3. as 3-4: raffrddamnto isontalpio, on aumnto di ntropia, ad opra dlla valvola di spansion; alla fin si ha una misla liquido-vapor 4. as 4 1: vaporazion surrisaldamnto 4, di qualh grado, dl fluido volvnt. 4 Analogamnt al punto, il fluido non vin portato nll ondizioni limit, ma smpr un poo oltr, allo sopo di vitar h i vari omponnti lavorino a ontatto on parti di fluido nlla fas sbagliata (il omprssor può lavorar solo on gas, mntr la valvola solo on liquidi). Pagina di 6

3 isia tnia Sistmi Enrgtii II Pr quanto riguarda la valvola di laminazion, qusta è un tubiino on una ostruzion all intrno. Tal ostruzion provoa una prdita di prssion dl fluido quindi un alo dlla tmpratura. S si sriv inoltr il primo prinipio dlla trmodinamia, si ha h: vi vu hi + + g zi hi + + g zu + Q + L Equazion 3: Primo Prinipio dlla Trmodinamia Poihé non i sono variazioni di quota di vloità, poihé non sono forniti alor lavoro, si ottin h la trasformazion è isontalpia. Vin utilizzato qusto dispositivo non una turbina in quanto è ostruttivamnt manutntivamnt più smpli poihé una turbin produrrbb talmnt poo da qusta spansion dal risultar antionomia. Il omprssor Più frquntmnt dl piano T,S vin utilizzato il piano p,h da part di frigoristi. L trasformazioni, possono ssr osì rapprsntat: p 3 urva limit 4 1 igura 4: ilo frigorifro nl piano p, h L lmnto h onsnt il passaggio da uno stato a bassa prssion ad uno ad alta tmpratura prssion è il omprssor; dotato di motor, gnralmnt lttrio, il omprssor è un lmnto h sfruttando un ilo manio ompi qusto lavoro. Esistono divrsi tipologi di omprssori: 1. Turboomprssori: lavorano in bas all nrgia intia dl fluido. omprssori volumtrii: più diffusi, si basano sulla omprimibilità dl fluido aria 5, h vin fatta ntrar i9n un rto volum, h poi, hiuso, vin ridotto. All intrno di omprssori volumtrii, s n possono individuar: a. A Vit b. Sroll. Rotativi d. Altrnativi: anora una volta i più usati, si basano su un manismi dl tipo billa manovlla. Il funzionamnto è rgolata da du lui, funzionanti sondo la diffrnza di prssion tra l intrno l strno dl ilindro. La lu di manadta si apr quando l intrno dl ilindro è ad un rto livllo di dprssion risptto all strno, vivrsa la lu di sario quando la prssion intrna è ad un rto valor. Partiolar attnzion, soprattutto nl aso di omprssori pr frigorifri, dv ssr prstata all prdit; spsso, al fin di mantnr il rfrigrant onfinato nl iruito, l intro omprssor h 5 Ed infatti i fluidi vngono surrisaldati prima dll ingrsso nl omprssor allo sopo di impdir la prsnza di liquido. La diffrnza tra omprssor vntilator è h in qust ultimo la variazion di volum spifio non è signifiativa. Pagina 3 di 6

4 isia tnia Sistmi Enrgtii II (motor sistma ilindro piston) si trova sigillato in un unio vano: qusto, allo sopo di vitar h nlla giuntur tra l albro rotant dl motor la billa vi siano dll prdit. Un omprssor funziona sondo la rlazion: V V ω λ Equazion 4: Equazion di un omprssor Dov: V : è la portata volumtria. Attnzion! Il fluido è omprimibil. La portata in massa è ostant ma qulla in volum non dv ssrlo nssariamnt. La portata massia di un fluido è infatti V G ρ V ' ; volum. spifio o V in V x ; v v in x o Equazion 5 V: è la ilindrata; s il piston è ilindrio πd L/4 ω: numro di giri ompiuti dall albro motor. [rad/s] λ: offiint di rimpimnto, rapprsnta l prdit dovut al non prftto rimpimnto dl piston stsso 6. Dfinito β om il rapporto di omprssion (prssion di usita fratto prssion di ingrsso), è possibil idntifiar il rapporto h lga tal paramtro on la portata volumtria. È osì possibil traiar la urva arattristia di tal dispositivo 7 (vdi igura 5), onsidrando ilindrata, offiint di rotazion 8 giri dl motor ostanti. Più ralistiamnt è possibil onsidrar la rlazion sistnt tra il paramtro di rimpimnto la prssion. on prssioni rsnti la quantità di gas rsiduo nl ilindro aumnta. Tal fnomno fa urvar la rtta vrso sinistra. L urv arattristih vngono rat pr l divrs mahin srvono a dtrminarn l arattristih di funzionamnto. Più raramnt alun mahin frigorifro hanno la possibilità di oprar on un numro di giri divrso da qullo dlla rt lttria P frigorifra T ond 35 T vap T ond 40 T ond 45 igura 6: Potnza frigorifra in funzion dll tmpratur (50 z) rgolabil; tali mahin sono β dotat di un dispositivo lttrio hiamato invrtr h modifia la frqunza dlla orrnt. È possibil, in qusto aso, traiar una sri di urv, pr l diffrnti vloità. In un impianto frigorifro si ha h la potnza frigorifra dipnd dalla tmpratura di vaporazion da qulla di ondnsazion. S la tmpratura di vaporazion è lvata il volum spifio in ingrsso è ridotto quindi, s la portata volumtria in ingrsso è ostant, aumnta la portata massia, d ssndo la potnza frigorifra V igura 5: urva arattristia di un omprssor idal 6 Spsso è prsnt dl fluido rsiduo nl piston anh dopo l spulsion dl gas omprsso. 7 La urva arattristia srv a dfinir la rlazion sistnt tra i vari paramtri di un dispositivo: in qusto aso quanto fluido muovo a h prssion posso portarlo. 8 Essndo un aso idal il offiint di rimpimnto vin supposto unitario Pagina 4 di 6

5 isia tnia Sistmi Enrgtii II proporzional al salto ntalpio alla portata massia è vidnt h un aumnto dlla portata massia ausa un aumnto dlla potnza frigorifra. Vivrsa, s la tmpratura di ondnsazion sal, la prssion in usita la portata volumtria in ingrsso, pr un omprssor ral 9 snd, prtanto la portata massia si ridu: onsguntmnt si ridu la potnza frigorifra. luidi rigorigni Lo studio dgli impianti frigorifri ostituis uno di rari ambiti appliativi in ui vngono utilizzati fluidi divrsi dal vapor o dall aria; l motivazioni h portano a qusta slta sono da rirarsi nl fatto h gli ilo è basato sulla vaporazion ondnsazion dl fluido volvnt. I rquisiti h dvono avr i fluidi possono ssr riassunti om sgu: ambino stato a prssion ragionvol: (né troppo alto, né troppo basso, pr il dimnsionamnto l auratzza dll lavorazioni nssari pr tubi srpntin). In gnral, inoltr, l impianto, pur dovndo rimanr sotto i 0 o 30 bar, è prfribil sia a prssion suprior di una atmosfra, in quanto, in aso di prdit, s è in sovraprssion, la situazion è rimdiabil tramit una riaria dl fluido, mntr s foss in dprssion bisognrbb anzitutto rar il vuoto all intrno poi sostituir il fluido. Rihidr una omprssion ragionvol: al fin di dimnsionar orrttamnt il omprssor, h non può oupar troppo spazio, soprattutto pr impianti ommriali. Il omprssor, inoltr,non dv ssr troppo piolo, poihé rihidrbb una prision ostruttiva ssiva (qusto è una dll ragioni h slud l aqua pr vaporar a 1 dv ssr portata a 1/100 di atm, poi riomprimrla, pr farl raggiungr una tmpratura maggior dll ambint strno on il qual sambia alor pr ondnsar) Non dv ssr tossio o infiammabil Dv garantir, tramit l su proprità trmodinamih, un buon.o.p. Dv ssr ompatibil on matriali in uso. Storiamnt, i fluidi h pr lunghissimo tmpo sono stati utilizzati om fluidi pr la rfrigrazion sono i lorofluoroarburi (), di omposti artifiiali, ottnuti a partir dagli idroarburi in ui gli atomi di idrogno sono stati sostituiti on atomi di loro fluoro. I vari fluidi, sono noti tramit il loro nom ommrial, ad smpio R1 è un rfrigrant ommrial, Idroarburo () R è utilizzato frquntmnt pr il ondizionamnto dll aria, R50 pr i grandi impianti frigorifri osì via. Durant l utilizzo di qusti gas si è soprto h i possono provoar l assotigliamnto dlla fasia di ozono h avvolg gli strati supriori dll atmosfra, protggndo il pianta da priolos radiazioni solari, spifiatamnt pr la stabilità dlla molola h porta ngli strati alti il loro, in grado di distruggr l molol di O 3. Altr molol, om gli gli possono ssr utilizzat 10. Sono allo studio anh altri tipi di fluidi ma nssuno ha prodotto risultati soddisfanti i rquisiti di ui sopra. igura 7:,,, l l lorofluoroarburo () l 9 A ausa dl ridursi dl offiint di rimpimnto. 10 Gli possono ssr utilizzati in quanto, pur ssndo ostituiti anh da loro, poihé sono abbastanza instabili non risono a portarlo ngli strati alti dll atmosfra. Pagina 5 di 6

6 isia tnia Sistmi Enrgtii II Non dv ssr dimntiato anh un altro fftto indsidrato drivant dall utilizzo di tali fluidi: l fftto srra. L atmosfra dl pianta ha infatti anh il ompito di rgolar la quanta di alor h dv ssr sambiata on lo spazio; l altrazion dlla omposizion dlla stssa può provoar un altrazion di tal sambio il onsgunt innalzamnto dlla tmpratura dl piant. Tra i gas rsponsabili di tal fnomno, oltr a O 4, si pnsa possano olloarsi gli ; iò può provoar grandi diffioltà all industria dl frddo h si vdrà obbligata a studiar nuov soluzioni pr risolvr tal situazion. Pagina 6 di 6