Compressori e ventilatori. Impianti frigoriferi

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1 Sheda riassuntiva 10 apitolo 13 Compressori e ventilatori. Impianti frigoriferi Compressori e ventilatori I ompressori si possono lassifiare seondo lo shema seguente: Volumetrii alternativi rotativi Dinamii (turboompressori) entrifughi assiali Con il termine soffianti si indiano i ompressori in ui il gas è sottoposto a un salto di pressione molto limitato. Compressori volumetrii alternativi aumento di pressione è ottenuto omprimendo il gas on stantuffi a tenuta entro i ilindri; sono adatti per grandi variazioni di pressione on portate limitate. Il moto traslatorio dello stantuffo è ottenuto dal moto rotatorio di un motore elettrio interponendo un meanismo di biella-manovella. Il funzionamento può essere a semplie effetto o a doppio effetto (una mandata a ogni orsa). Il ompressore è aratterizzato dal rapporto di ompressione manometria: p = p 2 p1 Il ompressore funziona ome un sistema aperto; il lavoro esterno netto sambiato tra fluido e stantuffo, onsiderando adiabatia la ompressione, è dato da: l = k k 1 k ad p1 v 1 1 k 1 p Se la ompressione fosse isoterma il lavoro, di minor entità, sarebbe: l R T p is = p In realtà la ompressione omporta un aumento di temperatura e il alolo più attendibile è effettuato on una politropia sostituendo a k, nell espressione del lavoro, un esponente adeguato (per es. 1, 3). Il ilo effettivo si sosta dal ilo teorio prinipalmente per l azione delle valvole. Il volume residuo del gas al termine della ompressione V 3 è detto spazio noivo, in quanto il gas ontenuto torna a espandersi nella orsa suessiva 2 1 Volume 2 (ap. 13) Compressori e ventilatori. Impianti frigoriferi 1

2 impedendo he lo spazio disponibile per la nuova aria oinida on la ilindrata V. Si definise il oeffiiente di spazio noivo: m = V3 V Tenuto onto del rendimento del ompressore h, la potenza assorbita dal ompressore è: Qm lad Nass = h a portata massia Q m si riava dalla portata volumetria in aspirazione: Q m = Q v r asp. Portata volumetria per un funzionamento a semplie effetto: Q v = z D C n v Il rendimento volumetrio h v tiene onto sia dello spazio noivo sia delle perdite attraverso le valvole. Con il funzionamento a doppio effetto non si ottiene un raddoppio della portata a ausa della presenza dello stelo di ollegamento allo stantuffo, he ridue il volume disponibile. a regolazione di portata e potenza è effettuata mediante uno strozzamento della portata all aspirazione. Con l aumento del rapporto di ompressione p il volume finale del gas si ridue e tende a oinidere on lo spazio noivo; per questo motivo per valori p > 6 8 si riorre a ompressori multistadio: il fluido perorre in serie due o più ilindri raggiungendo via via pressioni più elevate. Per evitare eessivi risaldamenti del gas si introdue una refrigerazione intermedia: tra uno stadio e quello suessivo il gas viene raffreddato attraversando uno sambiatore di alore. In questo modo si ridue il lavoro di ompressione in quanto la suessione di adiabatihe on la refrigerazione intermedia a pressione ostante si avviina a una ompressione isoterma. Il risparmio massimo si ottiene per una refrigerazione alla pressione intermedia: p = p1 p2 Compressori volumetrii rotativi I ompressori rotativi possono funzionare a frequenze di rotazione elevate on rumore e vibrazioni limitate, in aoppiamento diretto on turbine e motori elettrii. Trovano largo impiego per rapporti di ompressione non eessivamente elevati. Gli svantaggi possono essere ostituiti da: rendimento poo elevato; usura delle parti mobili; perdite volumetrihe per una tenuta non perfetta. 2 Volume 2 (ap. 13) Compressori e ventilatori. Impianti frigoriferi

3 I tre tipi più omuni di ompressori rotativi sono: (a) a vite (b) a palette () a lobi tipo Roots e mahine rotative sono usate anhe ome pompe a vuoto: aspirando aria da un ambiente vi realizzano una depressione, talvolta viina al vuoto assoluto. Turboompressori e ventilatori I turboompressori sono mahine operatrii a gas he funzionano seondo i prinipi generali delle mahine dinamihe (pompe entrifughe, turbine). Il ampo delle prestazioni, pressioni e portate, è molto ampio. I turboompressori possono essere radiali entrifughi o assiali. Normalmente sono multistadio, ostituiti da una suessione di giranti ollegate da anali a sezione resente, he svolgono la funzione di diffusore onvogliando il gas sullo stadio suessivo. I turboompressori assiali hanno la struttura di una turbina multipla a reazione: su un rotore sono distribuite diverse orone di palette di altezza deresente dall entrata verso l usita; il distributore porta le palette fisse he deviano il getto tra uno stadio e il suessivo. Sono adatti per portate anhe molto elevate, on rapporti di ompressione intermedi e raggiungono i migliori rendimenti tra tutte le mahine operatrii a gas (fino al 90%). Curve aratteristihe a urva aratteristia dei ompressori assiali è più ripida: il ampo di funzionamento è più limitato rispetto a quello del ompressore entrifugo; il vantaggio è di poter offrire disreti aumenti di pressione alla mandata on una riduzione limitata della portata. Il ventilatore è una mahina operatrie on la funzione di provoare lo spostamento di una portata di aeriforme senza una variazione signifiativa della pressione. w u w (a) (b) () a struttura è quella dei turboompressori entrifughi o assiali (a elia) on una differenza nella forma delle palette: nei ompressori la soluzione più onveniente è quella on le palette rivolte all indietro rispetto al senso del u w u p 2 (bar) Q V (m 3 /h) Volume 2 (ap. 13) Compressori e ventilatori. Impianti frigoriferi 3

4 moto, mentre nei ventilatori le palette sono urvate in avanti per aumentare la veloità in usita. Per il alolo della potenza il ventilatore può essere onsiderato ome una mahina idraulia essendo molto ridotta la variazione di pressione e quindi pressohé ostante la massa volumia. Tra l entrata e l usita la variazione di ario per una portata unitaria è determinata essenzialmente dalla variazione di energia inetia Impianti frigoriferi e pompe di alore Il ilo inverso impianto frigorifero realizza un ilo inverso on la funzione di mantenere a bassa temperatura T min un ambiente (per esempio una ella frigorifera) prelevandone energia termia da riversare nell ambiente irostante he si trova a una temperatura superiore T max. AMBIENTE T 3 4 Q u = + Q e 4 V C M 1 2 s 1 2 Q e CEA FRIGORIFERA Alla temperatura minima del ilo avviene la vaporizzazione del fluido he ompie il ilo (fluido refrigerante); alla temperatura massima avviene la sua ondensazione. assorbimento di lavoro è dovuto al ompressore, azionato da un motore elettrio; nella valvola di laminazione V avviene uno strozzamento della portata fluida (on setto poroso o tratto di apillare o valvola semihiusa), on onseguente aduta di temperatura e pressione. espansione viene onsiderata isoentalpia. Il ilo assorbe alore Q e dall ambiente freddo e ede il alore Q u all ambiente aldo a spese di una quantità di lavoro : Q u = Q e + o sambio energetio utile in questo ilo è Q e, mentre l energia spesa è ; si definise l effiienza (o resa) frigorifera: ε = Q e Se si realizzasse un ilo inverso di Carnot l effiienza sarebbe pari a: Tmax ε = T T max min 4 Volume 2 (ap. 13) Compressori e ventilatori. Impianti frigoriferi

5 Spesso il ilo frigorifero viene rappresentato su un diagramma in oordinate entalpia-pressione, in ui i due passaggi di stato sono tratti orizzontali (p = ostante) e l espansione isoentalpia è vertiale. Potenza assorbita dal ompressore: p 4* C 3* Qm( h3* h2* ) Nass = h Potenza frigorifera utile: 1* 2* N f = Q m (h 3* h 4* ) h Impianti ad assorbimento Il ilo frigorifero ad assorbimento si basa sulla soluzione di un fluido refrigerante (ammoniaa) in un fluido assorbente (aqua). a aratteristia peuliare del ilo si ha nella fase di ritorno alla pressione alta del ilo; non si ha ompressione del vapore, ma il suo assorbimento, tramite un assorbitore, in una soluzione aquosa, he poi viene trasferita on una pompa nel generatore. Fornendo alore dall esterno, dalla soluzione onentrata si separa di nuovo il vapore di ammoniaa, he torna al ondensatore, mentre la soluzione impoverita di NH 3 dal generatore torna per gravità nell assorbitore. Il alore utilizzato per la separazione può essere prodotto da resistenze elettrihe, dalla ombustione di gas o, più onvenientemente, può essere reuperato da aqua alda o vapore residuo di un proesso industriale, altrimenti dispersi in atmosfera. energia spesa per il pompaggio della soluzione è trasurabile in onfronto a quella he si renderebbe neessaria per la ompressione del vapore. a presenza dell aqua nell impianto impedise di lavorare a temperature prossime o inferiori a 0 C; pratiamente il ilo ad assorbimento si utilizza per produrre aqua refrigerata a 4-5 C. Gli impianti più pioli si utilizzano per esempio nei amper, on alimentazione a GP o on resistenze elettrihe; dimensioni maggiori (potenze anhe dell ordine di entinaia di kilowatt) si risontrano in ampo industriale, sfruttando reuperi di alore inutilizzato o nella osiddetta trigenerazione (elettriità, aldo, freddo). a mananza del ompressore favorise una maggior silenziosità dell impianto e una maggior durata nel tempo. Fluidi refrigeranti Il fluido he nell impianto ha la funzione di onvogliare il alore da un ambiente all altro attraverso i passaggi di stato è detto fluido refrigerante (o frigorigeno o frigorifero). a selta del fluido è dettata da diverse esigenze, tenihe, eonomihe e di siurezza; le ondizioni ideali sono: non infiammabile, tossio, irritante o orrosivo; himiamente stabile, inerte e poo solubile in aqua; Volume 2 (ap. 13) Compressori e ventilatori. Impianti frigoriferi 5

6 non dannoso per l ambiente (distruzione dell ozono atmosferio, effetto serra); elevata temperatura ritia e bassa temperatura di solidifiazione; grande alore di vaporizzazione e volumi massii non troppo elevati; on passaggi di stato a pressioni non troppo alte, per ridurre il lavoro di ompressione; osti ontenuti. Un parametro importante è il oeffiiente di produzione frigorifera volumetria, dato dal rapporto tra il alore di vaporizzazione e il volume massio del vapore saturo: = q v vvs J/kg 3 3 kg/m = J/m Un refrigerante on alto oeffiiente fornise pari effetto frigorifero (alore sottratto all ambiente freddo) on minor portata volumetria, quindi on minor potenza rihiesta al ompressore. Per i refrigeranti è ampiamente diffusa la designazione ontenuta nella norma ameriana ASHRAE Standard 34, ostituita dalla lettera R (refrigerante), seguita da un odie alfanumerio he dipende dalla omposizione himia. A partire dal 1990 è stato sottoposto a restrizioni sempre più pesanti l uso dei freon (refrigeranti sintetii al loro e fluoro), essendo stati indiati ome responsabili della riduzione dell ozono nell atmosfera terrestre a ausa della diffusione di atomi di loro. Si verifia attualmente un rinnovato interesse per refrigeranti naturali, ome l ammoniaa, l anidride arbonia, il propano e l isobutano. e pompe di alore Un ilo inverso può essere usato anhe per uno sopo diverso dalla refrigerazione; mettendo in omuniazione l impianto on un ambiente freddo A e uno aldo B e fornendo lavoro, si può prelevare alore dall ambiente freddo per «pomparlo» nell ambiente aldo, ome in un impianto idraulio si pompa un liquido da un livello basso a un livello alto. In tal aso si parla di impianto a pompa di alore. B INVERNO A B ESTATE A Q u (a) P.C. Q e impianto ha la struttura dell impianto frigorifero, ma è reversibile: una valvola permette di invertire la funzione dei suoi sambiatori di alore, invertendo il flusso degli sambi termii. Q e (b) P.C. Q u 6 Volume 2 (ap. 13) Compressori e ventilatori. Impianti frigoriferi

7 a pompa di alore, posta in un abitazione B a ontatto on l ambiente esterno A, può funzionare d inverno per il risaldamento e d estate per la refrigerazione. Dal punto di vista energetio l effiienza però non è la stessa nei due asi: a) Risaldamento Q u è il alore fornito all ambiente da risaldare, è l energia elettria spesa per azionare il ompressore; per l effiienza è in uso nel settore la denominazione anglosassone COP (Coeffiient Of Performane): COP = Q u b) Refrigerazione Q e è il alore sottratto all ambiente da raffreddare, ha lo stesso signifiato del aso preedente; la definizione di effiienza riala quella onsiderata per gli impianti frigoriferi ed è indiata on il oeffiiente EER (Energy Effiieny Ratio): EER = Q e Dal primo prinipio si ha Q e = Q u e quindi si ottiene: Qu EER = = COP 1 In fase di risaldamento la pompa di alore ha un effiienza superiore di un unità a quella in fase di refrigerazione. Il motivo sta nel fatto he in fase di risaldamento l impianto può prelevare dall ambiente freddo energia Q e del tutto gratuita (aria esterna, aqua, terreno). Esistono diverse soluzioni di impianto possibili a seonda dell ambiente da ui si preleva alore e del fluido a ui esso viene fornito: aria-aria, aqua-aria, aria-aqua, aqua-aqua. Sull effiienza influise in modo deisivo il salto di temperatura su ui opera l impianto; per esempio, se nel risaldamento di ambienti l aria esterna sende al di sotto dei 2 C, l effiienza risulta troppo bassa e diventa neessario anhe un sistema di sbrinamento. e pompe di alore sono adatte a fornire alore a bassa temperatura (aqua sanitaria, risaldamento di loali o di aqua per pisine, produzione di alore per aluni proessi industriali, essiazioni...). Volume 2 (ap. 13) Compressori e ventilatori. Impianti frigoriferi 7