CICLI FRIGORIFERI. Schema a blocchi di una macchina frigorifera

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1 CICLI FRIGORIFERI I cicli frigoriferi sono trasformazioni termodinamiche cicliche che avvengono in particolari macchine chiamate macchine inverse, in quanto in queste macchine il lavoro viene sfruttato invece di essere prodotto. Una macchina inversa, detta anche macchina frigorifera, può essere schematizzata nel seguente modo: Le macchine frigorifere possono essere utilizzate principalmente per due scopi differenti : mantenere freddo il serbatoio a temperatura inferiore T2 (ad es. il frigorifero di casa) ; fornire calore al serbatoio a temperatura superiore T1 (ad es. la pompa di calore) ; Schema a blocchi di una macchina frigorifera 1

2 CASO DEL FRIGORIFERO DI CASA Come si può ben vedere dalla figura a destra, la macchina mantiene la temperatura T2 costante (in teoria) assorbendo il calore Q2, inoltre cede il calore Q1 al serbatoio a temperatura T1, che di solito è rappresentato dall ambiente esterno. E per questo motivo che un normale frigorifero, durante il suo funzionamento, emette calore nell ambiente attraverso una serpentina che funziona come una vera e propria stufetta, rendendo spesso la cucina la stanza più calda di una casa. T2= cost ambiente di casa Frigorifero di casa Schema a blocchi di una macchina frigorifera 2

3 CASO DELLA POMPA DI CALORE Nel caso della pompa di calore invece quello che interessa è il calore Q1 che la macchina è in grado di fornire al serbatoio a temperatura T1, ossia lo scopo è il riscaldamento di un ambiente come ad esempio un appartamento. Questo può avvenire assorbendo il calore Q2 da un serbatoio che in questo caso viene rappresentato dall ambiente esterno, inoltre è necessario utilizzare il lavoro L. appartamento Ambiente esterno Schema a blocchi di una macchina frigorifera 3

4 IMPIANTO FRIGORIFERO Si rappresenta sotto uno schema di un impianto frigorifero, in cui ogni componente può essere considerato un sistema aperto: La turbina può essere sostituita da una valvola di laminazione. Infatti il lavoro l prodotto dalla turbina risulta essere molto piccolo, così non viene più recuperato, allora si preferisce utilizzare una valvola di laminazione che ha un costo inferiore. Una macchina inversa (frigorifera) utilizza un ciclo Rankine percorso appunto in senso inverso. 4

5 Diagramma p-v di un ciclo frigorifero: condensazione isobara compressione adiabatica reversibile TRASFORMAZIONE 1 2: Il fluido, che in 1 si trova allo stato di vapore saturo secco (titolo unitario), passa attraverso un compressore che ne aumenta la pressione per mezzo di una trasformazione adiabatica reversibile. Durante questo passaggio si verifica un aumento significativo della temperatura del fluido, che in 2 si trova nel campo del vapore surriscaldato. TRASFORMAZIONE 2 3: Il fluido percorre la serpentina del condensatore e cedendo calore Q1 comincia a raffreddarsi (2 >2 ) a pressione costante, fino a raggiungere in 2 lo stato di vapore saturo secco; a questo punto, sempre a pressione costante, il vapore comincia a condensare (2 >3) e a temperatura costante giunge in 3, che si trova sulla curva limite inferiore (titolo 0). 5

6 turbina valvola di laminazione evaporazione TRASFORMAZIONE 3 4: Il fluido entra nella valvola di laminazione e subisce una trasformazione isoentalpica (h3 = h4) che ne diminuisce la pressione e la temperatura e ne aumenta il volume. L uso della valvola fa sì che questa trasformazione non sia più adiabatica reversibile come nel caso della turbina (3 >4 ), anzi, la valvola rende questo processo fortemente irreversibile e da ciò deriva l impossibilità di tracciare un percorso definito da 3 a 4. Altrettanto indefinita risulta essere l area del ciclo frigorifero, e questo rappresenta uno svantaggio rilevante. TRASFORMAZIONE 4 1: Il fluido, che in 4 è quasi completamente liquido, entra nell evaporatore e a pressione costante comincia la vaporizzazione assorbendo il calore Q 2 fornito al sistema, fino a raggiungere lo stato iniziale 1 nel quale può ricominciare il ciclo. 6

7 confronto tra cicli... Diagramma p v di un ciclo frigorifero Diagramma T s di un ciclo frigorifero Diagramma T s di un ciclo frigorifero La sostanza utilizzata all interno di una macchina frigorifera viene chiamata refrigerante. Uno dei fluidi refrigeranti più utilizzati a livello industriale è il Freon F12, che purtroppo ha la spiacevole caratteristica di appartenere alla categoria dei CloroFluoroCarburi (CFC), che danneggiano lo strato di ozono che protegge la Terra dalle radiazioni ultraviolette emesse dal Sole. Per questo motivo sono state emanate leggi che vietano l uso del Freon e che obbligano a sostituire tale fluido nelle macchine vecchie che necessitano di riparazioni. Sarebbe molto vantaggioso poter usare l acqua come sostanza refrigerante, ma questo non avviene perché le temperature che si vogliono raggiungere vanno sotto gli 0 C. Un altro fluido molto usato per questi scopi è l ammoniaca NH3, che è meno inquinante del Freon ma può comunque essere pericoloso per la salute, in quanto le sue esalazioni provocano bruciori alle vie respiratorie. 7

8 L inquinamento ambientale dovuto alle macchine frigorifere è comunque limitato rispetto ad altri prodotti industriali: nei frigoriferi comuni è presente una quantità di Freon che viene liberata nell ambiente in circa 10 anni, mentre la stessa quantità di sostanza viene emessa da 4 o 5 bombolette spray in un tempo molto minore. La casa produttrice DuPont vende i suoi prodotti chimici fornendo i relativi datasheet, ossia i dati caratteristici, sotto forma di diagrammi p h, mentre non vengono solitamente divulgate le tabelle dei fluidi, che possono essere richieste solo firmando un NDA, un contratto per cui ci si impegna a mantenere la riservatezza sulle informazioni di cui si viene a conoscenza. A seconda di come una macchina frigorifera viene utilizzata si definiscono due grandezze diverse: coefficiente di effetto utile frigorifero coefficiente di prestazione 8

9 scopo impianto: raffreddare se lo scopo è raffreddare il serbatoio a temperatura inferiore ci interessa il coefficiente di effetto utile frigorifero, che rappresenta il rapporto fra il calore assorbito e il lavoro richiesto dal sistema: riscaldare se la macchina funziona come pompa di calore, prelevando calore da un serbatoio freddo e cedendone una quantità maggiore ad un serbatoio caldo, allora ci interessa il coefficiente di prestazione, che rappresenta il rapporto fra il calore fornito e il lavoro richiesto dal sistema: Schema a blocchi di una macchina frigorifera 9

10 Poiché abbiamo considerato il ciclo come una successione di sistemi aperti si trova che: scopo impianto: raffreddare riscaldare coefficiente di effetto utile frigorifero coefficiente di prestazione Il calcolo dei coefficienti si riduce quindi al calcolo delle entalpie. Per il 1 Principio della termodinamica è possibile inoltre stabilire una relazione tra hf e COP: 10

11 La stessa macchina dal punto di vista termodinamico presenta un maggior rendimento se utilizzata come pompa di calore anziché come frigorifero. Inoltre il rendimento può essere migliorato rallentando e accelerando la macchina frigorifera nei momenti opportuni, piuttosto che spegnendola e riaccendendola. Questo ultimo metodo può anzi arrecare gravi danni, in quanto se un impianto rimane spento per un periodo prolungato può accadere che dell acqua si infiltri all interno del compressore nonostante la presenza di valvole di sicurezza, provocando seri problemi al momento della riattivazione del sistema. E per questo motivo che la durata media dei frigoriferi, sempre accesi, si aggira intorno ai 20 anni, mentre i condizionatori dopo 4 o 5 anni di solito devono essere riparati. N.B. 1 frigoria = 1 kcal 1 frig = 1 kcal 11

12 ESEMPIO Una macchina frigorifera utilizza come refrigerante il Freon F12, che fornisce il calore = frigorie/h. Conoscendo le due temperature Tev=5 C e Tcond=40 C, considerando la compressione isoentropica (s 2 =s 1 ) e l espansione isoentalpica (h 4 =h 3 ), determinare il coefficiente di effetto utile frigorifero, il coefficiente di prestazione, il calore prodotto ed il lavoro assorbito. RISOLUZIONE: Qui sotto sono rappresentati i dati del problema e il diagramma p h: Nell'esercizio le frigorie/h rappresentano il Q 2.!!!! 12

13 Occorre ricordare che il lavoro assorbito indica un rapporto fra energia e tempo, quindi ci viene richiesta la potenza meccanica assorbita dalla macchina, così come il calore prodotto rappresenta la potenza termica erogata. Si calcoli il coefficiente di effetto utile frigorifero: Si calcoli ora il COP : Sapendo che: Se adesso si convertono le unità di misura si ottiene che: frig/h = Kcal/h, 1Kcal = 4187 J, 1 h = 3600 s, così sostituendo abbiamo : 13

14 Era: Ricordando che: frig/h = Kcal/h, 1Kcal = 4187 J, 1 h = 3600 s, abbiamo : calore prodotto lavoro assorbito 14

15 IMPIANTI FRIGORIFERI Lo scopo degli impianti frigoriferi è quello di mantenere un ambiente ad una temperatura t 2 minore di quella esterna t 1. La temperatura t 2 dipende dalla particolare applicazione, mentre la t 1 è la temperatura dell ambiente circostante. I sistemi più utilizzati per la produzione del freddo sono i seguenti: A COMPRESSIONE AD ASSORBIMENTO 15

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17 IMPIANTO FRIGORIFERO A COMPRESSIONE DI VAPORE 17

18 Diagrammi (T,S) a confronto... 18

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21 L uso dell acqua come fluido frigorigeno è limitato dal valore di 0 C al di sotto del quale si ha il congelamento; inoltre, anche per temperature superiori la pressione di saturazione è molto bassa 0.05 bar a 35 C, con il problema di possibili infiltrazioni di aria nel circuito che deve operare in condizioni di vuoto molto spinto; inoltre il valore elevatissimo del volume specifico del vapore saturo imporrebbe dimensioni del tutto antieconomiche per le macchine di compressione. 21

22 Le qualità richieste ai fuidi frigorigeni sono le seguenti: Pressione di condensazione non eccessiva alle temperature di comune reiezione del calore. Pressione di evaporazione non troppo bassa alle comuni temperature da mantenere alla sorgente fredda. Calore di transizione di fase elevato (in modo da consentire il funzionamento con ridotte quantità di fluido). Volume specifico del vapore saturo non troppo elevato alle comuni temperature da mantenere alla sorgente fredda, in modo da contenere la dimensione del compressore. Atossicità. Ininfiammabilità e sicurezza rispetto alle esplosaioni a seguito di perdita in aria. Compatibilità con i materiali struturali impiegati negli impianti frigoriferi (rame, ottone, acciaio inox, ). Limitato danno all ambiente in caso di rilascio accidentale. Pur risultando la scelta un compromesso tra le precedenti caratteristiche, i fluidi più impiegati sono l ammoniaca NH3, I Freon (DuPont) o cloro fluoro carburi, ed alcuni idrocarburi come C3H8 ed altri. 22

23 L uso di ammoniaca NH3 è molto diffuso negli impianti industriali; alcuni problemi persistono rispetto all aggressività verso le leghe di ferro e carbonio acciai, ed ai danni all ambiente nel caso di consistente rilascio accidentale. I cloro fluorocarburi CFC furono derivati da idrocarburi della serie paraffinica attorno al 1940, sostituendo atomi di idrogeno con atomi di Cloro e Fluoro; essendo gas pesanti hanno ininfiammabili, richiedono ridotte pressurizzazioni, hanno alto calore di transizione di fase e basso volume specifico del vapore saturo, ma sono in corso di sostituzione progressiva in base al protocollo di Montreal 1976, 1987, in quanto sono stati riconosciuti tra i principali responsabili del buco dell ozono e quindi di consistenti danni all ambiente. Già oggi pur avendo introdotto ovunque, nei paesi industrailizzati, sistemi di ricarica completamente alogenati cioè quelli che non presentano atomi di idrogeno come R12 CF2Cl2, R11 CFCl3, R13 CF3Cl, R113 CF3Cl3, R114 CF4Cl2 sono banditi a parte le operazioni di ricarica e comunque la loro produzione si va esaurendo. clorofluorocarburi non completamente sostituiti HCFC, come R21 CHCl2F, R22 CHF2Cl, che sono almeno 10 volte meno dannosi per l ambiente. Dopo tale data sarà obbligatorio l uso di fluorocarburi senza cloro HFC o refrigeranti naturali ammoniaca; acqua; anidride carbonica. 23

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