La produzione periferica di acqua refrigerata in impianti di teleriscaldamento

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1 La produzione periferica di acqua refrigerata in impianti di teleriscaldamento Paolo Colaiemma Recentemente è stata messa sul mercato una nuova serie di macchine frigorifere ad assorbimento di piccola potenza, alimentate ad acqua calda, impieganti come fluido di lavoro una soluzione di acqua e bromuro di litio. Le nuove unità sono state concepite per l utilizzo di calore a bassa temperatura, con applicazioni tipiche in impianti di climatizzazione ambientale. La temperatura dell acqua calda richiesta dal ciclo ad assorbimento è compresa tra 70 C e 95 C. L acqua refrigerata prodotta esce dall evaporatore a 7 C temperatura particolarmente idonea quindi ai processi di condizionamento dell aria. La dissipazione del calore dal circuito è ottenuta con la circolazione di acqua negli scambiatori dell assorbitore e del condensatore. La serie delle macchine proposte comprende cinque modelli di potenza frigorifera nominale rispettivamente di 17,6 kw, 35 kw, 70 kw, 105 kw e 176 kw. Essendo macchine modulari compatibili tra di loro possono essere installate in più unità combinate per coprire diversi livelli di potenza. Il presente lavoro è articolato sull analisi dei vari aspetti tecnici di questa particolare serie di macchine. Sono dapprima richiamati i principi del processo termodinamico, denominato ad assorbimento; indi elencati i dati peculiari delle macchine ed illustrate le loro caratteristiche di funzionamento; si forniscono poi utili suggerimenti sulla loro più idonea utilizzazione per la produzione periferica di acqua refrigerata in impianti di teleriscaldamento. Principio di funzionamento dei gruppi ad assorbimento Il principio di funzionamento dei gruppi analizzati è illustrato nella figura 1, in cui vengono schematizzati i componenti principali della macchina e le varie fasi del processo.

2 Generatore L acqua di alimentazione riscalda, portandola all ebollizione, la soluzione diluita di acqua e bromuro di litio contenuta nel generatore. L ebollizione libera vapore acqueo (refrigerante) e concentra la soluzione di bromuro di litio. Questa viene raccolta e pre-raffreddata, passando attraverso lo scambiatore di calore, prima di venire immessa nell assorbitore. Condensatore Il vapore refrigerante perviene al condensatore dove condensa sulla superficie delle serpentine del circuito di raffreddamento. Il calore di condensazione è rimosso dall acqua di raffreddamento ed espulso, normalmente attraverso una torre evaporativa. Il liquido refrigerante, raccolto nel condensatore, passa quindi nell evaporatore attraverso un apposita apertura. Evaporatore La pressione esistente nell evaporatore è assai più bassa di quella del generatore e del condensatore per l influenza esercitata dall assorbitore. Per questo motivo il liquido refrigerante, una volta entrato nell evaporatore, bolle ed assorbe calore evaporando sulla superficie delle serpentine del circuito dell acqua da refrigerare. Il vapore refrigerante ottenuto fluisce quindi nell assorbitore. WFC SC 30 Bilancio terrmico Separatore Vapore 56% LiBr Calore kw kw Generatore in 150,6 Condensatore out 122,2 Evaporatore in 105,0 Assorbitore out 133,4 255,6 255,6 Acqua calda Generatore All interno del generatore la soluzione diluita di LiBr al 52% è portata all ebollizione. Il vapor d acqua prodotto fluisce al condensatore ed il separatore convoglia la restante soluzione concentrata al 56% all assorbitore, attraverso lo scambiatore di calore. Il processo è endotermico (79-88 C) Scambiatore di calore 52% LiBr Pompa di soluzione Acqua Acqua di raffreddamento Condensatore Il vapore caldo viene raffreddato e condensato (29,5 35 C) Assorbitore Il vapore prodotto viene assorbito dalla soluzione concentrata di LiBr, con processo esotermico (29,5-35 C) Vapore Acqua di raffr. 8 kpa 0.7 kpa Acqua refrigerata Evaporatore L acqua depressurizzata evapora a contatto con le serpentine dell acqua da refrigerare. Ciò crea l effetto frigorifero (5-7 C) Orifizio Figura 1 - Ciclo frigorifero ad assorbimento e bilancio termico

3 Assorbitore La bassa pressione nell assorbitore è dovuta all affinità chimica fra la soluzione concentrata di bromuro di litio proveniente dal generatore ed il vapore acqueo che si forma nell evaporatore. Il vapore refrigerante viene assorbito dalla soluzione concentrata di bromuro di litio, mentre quest ultima lambisce la superficie delle serpentine dell assorbitore. Il calore di condensazione e di diluizione è rimosso dall acqua di raffreddamento. La soluzione diluita di bromuro di litio è poi pre-riscaldata nello scambiatore di calore prima di ritornare nel generatore. Bilancio termico Allo scopo di quantificare le varie potenze in gioco, nel riquadro di figura 1 vengono riportati i valori caratteristici del bilancio termico del ciclo riferiti al modello da 105 kw frigoriferi nominali. E opportuno tener presente che la quantità di calore da smaltire in ambiente esterno risulterà, ovviamente, la somma di quella di alimentazione, pari a 150,6 kw, più quella assorbita dall ambiente da refrigerare pari a 105 kw, in totale quindi 255,6 kw. Il rapporto tra la potenza dissipata e quella frigorifera prodotta è pari a 2,43. Ciò significa che per ogni kw frigorifero prodotto si dovranno smaltire nell ambiente 2,43 kw termici. Il rapporto tra la potenza frigorifera erogata dalla macchina, pari a 105 kw, e quella termica fornita alla stessa, pari a 150,6 kw, quantifica le sue prestazioni. Il valore di efficienza del gruppo, denominato COP (Coefficient Of Performance) è, nel caso in esame, pari a 0,7. In altri termini per produrre 1 kw frigorifero saranno necessari 1,43 kw termici. Specifiche tecniche Nella tabella 1 vengono riportate le specifiche tecniche degli assorbitori presi in esame. Le potenze frigorifere nominali per le cinque unità proposte sono rispettivamente di 17,6 kw, 35 kw, 70 kw, 105 kw e 176 kw. L acqua refrigerata è prodotta a 7 C, con ritorno alla macchina a 12,5 C. È possibile variare la temperatura di erogazione tra un minimo di 5,5 C ed un massimo di 15,5 C, fermo restando il valore di salto termico fra la temperatura di mandata e quella di ritorno di 5,5 C. La potenza da dissipare è rispettivamente di 42,7 kw, 85,4 kw, 171 kw, 256 kw e 428 kw con temperature dell acqua di raffreddamento in uscita di 35 C e di ingresso alla macchina di 31 C. La potenza assorbita è nell ordine pari a 25,1 kw, 50,2 kw, 100,4 kw, 150,6 kw e 252 kw con temperature di lavoro di 88 C in entrata e di 83 C in uscita. L intervallo delle temperature dell acqua di alimentazione utilizzabile è compreso tra i 70 C ed i 95 C. Le prestazioni delle macchine risulteranno ovviamente influenzate dal livello di temperatura utilizzato, come appare evidente dall analisi delle curve di funzionamento appresso riportate. Da notare la ridottissima potenza elettrica assorbita per l azionamento delle unità rispettivamente pari a 48 W, 210 W, 260 W, 310 W e 590 W. Questi valori, ovviamente, non tengono conto della potenza elettrica richiesta per il funzionamento delle apparecchiature di circolazione dei fluidi di lavoro (acqua di alimentazione ed acqua refrigerata) e per lo smaltimento del calore (acqua di raffreddamento). Curve caratteristiche di prestazione Le prestazioni di ogni singola macchina vengono evidenziate dalle relative curve caratteristiche. Nella figura 2 sono illustrate quelle dell unità WFC-SC 30. Per le stesse varranno le seguenti considerazioni, valide peraltro per tutta la gamma delle apparecchiature.

4 Modello Acqua refrigerata Acqua raffreddamento Acqua calda Alimentazione elettrica Tabella 1 - Specifiche tecniche degli assorbitori considerati WFC SC 5 WFC SC 10 WFC SC 20 WFC SC 30 WFC SC 50 Potenza frigorifera kw 17, Temperatura Ingresso C 12,5 Uscita C 7 Perdite di carico kpa 52,6 56,1 65,8 70,1 40,2 Pressione massima di lavoro kpa 588 Portata nominale l/s 0,77 1,53 3,06 4,58 7,64 Volume serpentine l Potenza dissipata kw 42,7 85, Temperatura Ingresso C 31 Uscita C 35 Perdita di carico kpa 38,3 85,3 45,3 46,4 37,4 Fattore sporcamento M 2 hr K/kW 0,086 Pressione massima di lavoro kpa 588 Portata nominale l/s 2,55 5,1 10,2 15,3 25,5 Volume serpentine l Potenza assorbita kw 25,1 50,2 100,4 150,6 252 Ingresso C 88 Temperatura Uscita C 83 Range C Minimo 70 Massimo 95 Perdita di carico kpa 95,8 90,4 46,4 60,4 86,7 Pressione massima di lavoro kpa 588 Portata nominale l/s 1,2 2,4 4,8 7,2 12 Volume serpentine l V Alimentazione elettrica 1 fase 400V 3 fasi 50Hz 50Hz Potenza assorbita W Intensità di corrente A 0,22 0,43 0,92 1,25 2,6 Controllo Refrigerazione ON - OFF Larghezza mm Dimensioni Profondità mm Altezza (compresa piastra di fissaggio) mm Peso A vuoto kg In esercizio kg Rumorosità Livello sonoro db(a) a 1 metro Diametro tubazioni (A) Armadio Circuito acqua refrigerata mm Circuito acqua di raffreddamento mm Circuito acqua calda mm Impermeabile idoneo ad installazione all aperto, dotato di pannellature di acciaio zincato verniciato color alluminio

5 Temperatura di ingresso acqua di raffreddamento Potenza frigorifera erogata kw C 31 C 29.5 C 27 C Standard point Uscita acqua refrigerata 7 C Temperatura di alimentazione acqua calda C 250 Temperatura di ingresso acqua di raffreddamento Potenza termica assorbita kw C 31 C 29.5 C 27 C Standard point Uscita acqua refrigerata 7 C Fattore di penalizzazione della potenza erogata 0 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0, Temperatura di alimentazione acqua calda C Variazione portata acqua calda % Standard point. Uscita acqua refrigerata 7 C Figura 2 - Curve caratteristiche di prestazione dell assorbitore di potenza frigorifera nominale pari a 105 kw

6 Tenendo fissa la temperatura dell acqua refrigerata prodotta, pari a 7 C, la potenza frigorifera erogata è fortemente influenzata dalle temperature dell acqua di raffreddamento o meglio di dissipazione e dalla temperatura dell acqua di alimentazione. Si otterranno valori di potenza più elevati, infatti, diminuendo la temperatura dell acqua di raffreddamento oppure aumentando quella di alimentazione. La temperatura dell acqua di raffreddamento, che comunque non può scendere sotto il valore di 24 C per evitare fenomeni di cristallizzazione della soluzione di lavoro, è dettata, nel caso di utilizzo di torri evaporative, dalla temperatura a bulbo umido dell aria esterna, caratteristica della località d installazione. La temperatura dell acqua di alimentazione non può eccedere, sulle unità considerate, i 95 C, per motivi di sicurezza operativa, risultando la temperatura limite di progetto della macchina pari a 100 C. Essa, peraltro, può scendere a valori molto bassi, scontando per contro forti flessioni di potenza. Da ultimo è stato illustrato sempre nella figura 2 l andamento del fattore di penalizzazione della potenza frigorifera per riduzione della portata dell acqua di alimentazione, fermi restando i rimanenti parametri caratteristici di funzionamento. I valori ottenibili dai grafici illustrati nella figura 2 possono essere utilizzati per ipotizzare differenti condizioni di funzionamento della macchina, anche se i risultati ottenibili debbono essere considerati solamente indicativi. Schemi concettuali di impianto In figura 3 è illustrato uno schema concettuale di impianto di assorbitore inserito in una rete di teleriscaldamento. La rete provvede al trasporto del calore presso l utente e l assorbitore alla produzione locale di acqua refrigerata. L impianto è caratterizzato da due circuiti, quello primario al servizio del sistema di distribuzione del calore e quello secondario di gestione dell assorbitore. I due circuiti sono interconnessi da uno scambiatore. Questo, che è dotato di quattro connessioni, provvede ad una distribuzione all utenza a 4 tubi. Ad una temperatura dell acqua calda disponibile nello scambiatore di almeno 70 C, qualora sia richiesta acqua refrigerata, verranno azionate le pompe P3, P2 e P1 a servizio dei circuiti idraulici dell assorbitore. L acqua calda di alimentazione affluirà dallo scambiatore attraverso le valvole deviatrici MV2 e MV3 sino all assorbitore e da questo ritornerà allo scambiatore. L acqua refrigerata spinta dalla pompa P1 fluirà alle diverse utenze (centrale di trattamento aria, ventilconvettori od altro). Se è richiesto contemporaneamente calore, la valvola deviatrice MV1 verrà azionata allo scopo di convogliare l acqua calda proveniente dall assorbitore all utenza termica. Nel caso di solo fabbisogno termico per riscaldamento, la valvola MV3 escluderà l assorbitore. Allorché l impianto di teleriscaldamento venga posto fuori servizio per manutenzione od altro, la valvola MV2 provvederà a deviare tutto il fluido termovettore verso la caldaia ausiliaria, allo scopo di soddisfare comunque l utenza. La stessa, ovviamente, dovrà essere in grado di fornire l acqua calda alle temperature e nelle quantità di progetto.

7 Figura 3 - Schema concettuale di impianto con condensazione operata mediante torre evaporativa NOTE 1) MV1-Valvola On-Off deviatrice 2) MV2- Valvola On-Off deviatrice 3) MV3- Valvola On-Off deviatrice 4) MV3-Valvola miscelatrice Figura 4 - Schema concettuale di impianto con condensazione operata mediante acqua a perdere

8 Nello schema è prevista una torre evaporativa chiusa. Poiché la qualità dell acqua ed il suo trattamento richiedono pur sempre una particolare attenzione, le torri chiuse offrono una soluzione idonea alla salvaguardia dell assorbitore. La figura 4 illustra uno schema di impianto, che si differenzia dal precedente per il sistema di smaltimento del calore operato mediante l impiego di acqua a perdere. Per quanto riguarda il raffreddamento con acqua a perdere, anche nel caso di acqua prelevata da roggia o da fiume, la cui disponibilità in linea teorica, risulta essere illimitata, sussistono problemi di approvvigionamento e di inquinamento termico, come di seguito precisato. E comunque indispensabile tener presente che gli assorbitori in esame, come già precedentemente segnalato, impongono temperature di condensazione comprese tra i 24 C ed i 31 C. Per contro la temperatura di prelievo dell acqua a perdere è, normalmente compresa, tra i 12 C ed i 18 C. Si dovrà, quindi, miscelare parte dell acqua ambiente, a temperatura inferiore, mediamente a 15 C, con acqua ricircolata dallo scambiatore a temperatura superiore, mediamente a 32 C, mediante azionamento della valvola MV4 di figura. Il sistema di regolazione Di seguito, con riferimento agli schemi di figure 3 e 4, viene illustrato il sistema di controllo del funzionamento delle macchine. Nella tabella delle specifiche tecniche sono riportate le funzioni di regolazione ON-OFF. Nella modalità ON un termostato (WT1) posizionato sulla mandata dell acqua refrigerata comanda, in funzione della temperatura di questa, la pompa dell acqua calda di alimentazione. Le temperature standard di regolazione sono le seguenti: - avvio della pompa dell acqua calda alla temperatura dell acqua refrigerata in uscita dalla macchina di 10,5 C; - arresto della stessa pompa alla temperatura dell acqua refrigerata in uscita di 6,5 C. Le temperature sopra indicate (set point) possono essere modificate, senza peraltro alcuna possibilità di cambiamento del differenziale di temperatura delle stesse. Questa caratteristica permette di impostare sulle unità una regolazione a step control fissando differentemente in cascata i set point delle singole macchine in installazioni di più unità combinate; l utilizzo dei gruppi può così essere modulato in funzione delle variazioni del carico. Per la refrigerazione la macchina richiede l operatività della pompa P1 dell acqua refrigerata, della pompa P2 dell acqua di raffreddamento e della pompa P3 dell acqua calda di alimentazione. Nel normale funzionamento la pompa P3 dell acqua calda di alimentazione e la pompa P2 dell acqua di raffreddamento operano comandate dal termostato (WT1), posizionato sull uscita dell acqua refrigerata. Di conseguenza, se la temperatura dell acqua refrigerata si abbassa sino a valori di 6,5 C o meno, le pompe P2 e P3 vengono disattivate. La pompa P1 dell acqua refrigerata, viceversa, rimane operativa e di conseguenza provvede alla domanda variabile del sistema di climatizzazione. Se la temperatura dell acqua refrigerata mossa dalla pompa P1 sale a 10,5 C le pompe P2, P3 si riavviano immediatamente. L operatività della macchina verrà così pienamente ristabilita. Può quindi affermarsi che l unità in realtà non è mai stata messa fuori servizio dal termostato (WT1); essa è stata semplicemente esclusa dall alimentazione, assecondando il carico di refrigerazione richiesto dal sistema. Con la macchina fuori servizio OFF, con segnalazione STOP sul pannello di controllo della CPU, anche la pompa P1 cessa di operare. Tale stato consiste ovviamente nella completa inattività di funzionamento dell unità.

9 Lo smaltimento del calore Come sopra accennato per la corretta funzionalità della macchina è necessario, smaltire in ambiente esterno una quantità di calore somma di quello di alimentazione della macchina stessa, più quello assorbito dell ambiente da refrigerare. Figura 5 Mantova, Palazzo Ducale - Museo Archeologico. Centrale di produzione periferica di acqua refrigerata in impianto di teleriscaldamento. La potenza frigorifera nominale dell installazione è pari a 420 kw. L acqua di alimentazione da rete è erogata da TEA SPA a 80 C. Lo smaltimento del calore è operato con acqua prelevata dal limitrofo fiume Mincio. Nel caso dell unità in esame WFC-SC 30 la potenza da dissipare risulterà pari a 256,6 kw somma di quella di alimentazione pari a 150,6 kw e di quella assorbita dall ambiente pari a 105 kw. Un sistema comunemente utilizzato per rigettare calore in atmosfera è quello di predisporre ampie superfici di scambio termico con l aria ambiente, in modo che questa, sempre che si trovi ad una temperatura inferiore, lo possa sottrarre alla macchina. Detto sistema di raffreddamento è detto ad aria od anche a secco. Il calore può essere smaltito anche utilizzando acqua, qualora l aria ambiente non sia sufficientemente fredda, oppure per diminuire le superfici di scambio. E possibile prelevarla relativamente fredda dall ambiente esterno (roggia, pozzo, fiume e così via) restituendola poi più calda allo stesso ambiente esterno. Il raffreddamento ad acqua è più efficiente di quello ad aria, sia perché l acqua è di solito a temperatura inferiore di quella dell aria, sia perché il suo coefficiente di scambio termico è più elevato. Per contro l acqua risulta meno conveniente per i suoi alti costi ed il suo impiego è sempre meno consentito dalle amministrazioni locali per le implicazioni ambientali connesse all inquinamento termico delle acque pubbliche.

10 Torri Evaporative Per il rigetto del calore generato negli assorbitori, che utilizzano quale fluido di lavoro una miscela di acqua e bromuro di litio, sono normalmente impiegate torri evaporative. La loro adozione è dovuta principalmente al basso livello delle temperature di smaltimento imposto dall assorbitore (31-35 C). Il funzionamento delle torri evaporative è basato sull utilizzazione del calore latente di evaporazione dell acqua. Mettendo a contatto nella torre una portata d acqua, finemente suddivisa, con una corrente d aria, una piccola quantità di acqua viene assorbita per evaporazione dalla corrente d aria, sottraendo il suo calore latente di evaporazione all acqua restante. Modello PMS 6/65 ICT 3-63 ICT 4-54 ICT 4-66 ICT 4-59 Potenza resa kw 42,7 85,4 (51,2) Temperatura Ingresso C 35 Uscita C 31 Acqua Portata nominale l/s 2,55 5,12 10,2 15,3 25,5 Perdita di carico kpa 4 2,1 17,9 17, Bulbo umido C Acqua evaporata max l/m 1,11 2,12 4,5 6,7 11,2 Ventilatori n Aria Potenza assorbita kw 0,55 0,7 (0,15) 1,5 2,2 2 x 1,5 Portata aria (max) mc/s 1,19 2,32 4,3 6,3 9,3 Alimentazione Elettrica 400V 3 fasi 50Hz Motore 4 poli 4/8 poli 4 poli 4 poli 4 poli Larghezza mm Dimensioni Profondità mm Altezza mm (2414) 2617 (2719) 2616 Peso A vuoto kg (365) 575 (620) 853 In esercizio kg (730) 1085 (1130) 1592 Livello sonoro db(a) a 3 metri in 84 (72)** 55,3 a 10 m 69 (62)* 76 (60)** 79 (68)** Rumorosità campo libero rilevato sulla sommità a 1,5 m Ingresso mm Diametro tubazioni Finiture Nota Uscita mm Reintegro mm Troppo pieno mm Scarico mm Pacco di scambio PVC Rampa distribuzione acqua Ugelli spruzzatori acqua PP ABS ABS ABS ABS Separatori di gocce PVC Bacino Vetroresina Acciaio Acciaio Acciaio Acciaio zincato Z725 zincato Z725 zincato Z725 zincato Z725 Pannelli di rivestimento Vetroresina Acciaio Acciaio Acciaio Acciaio zincato Z725 zincato Z725 zincato Z725 zincato Z725 Ventilatore assiale Acciaio zincato Alluminio *In parentesi valori in bassa velocità del ventilatore per unità ICT 3-63 **In parentesi valori con l adozione di ventilatore a bassa rumorosità per unità ICT 4-54, ICT 4-66 e ICT 4-59 Tabella 2 - Specifiche tecniche delle torri evaporative considerate PVC

11 L acqua uscente dalla torre sarà appena un po meno in quantità, ma sensibilmente più fredda di quella inizialmente entrante, ed il calore sottratto, come calore latente di evaporazione, risulterà disperso nell ambiente, sotto forma di vapore acqueo contenuto nella corrente d aria uscente, la cui umidità sarà, pertanto, aumentata rispetto all aria entrante, normalmente sino alla saturazione. Il calore sottratto all acqua non dipende dalla temperatura a bulbo secco dell aria entrante, ma solamente da quella a bulbo umido. Ciò risulta importante in quanto, per umidità relativa inferiore al 100%, la temperatura a bulbo umido è inferiore a quella a bulbo secco (ad esempio con bulbo secco di 32 C ed umidità relativa pari al 52%, il bulbo umido è solo a 24 C) e nei processi di raffreddamento ci si può avvicinare a temperature sensibilmente inferiori rispetto a quelle ottenibili utilizzando sistemi a secco. La caratteristica peculiare delle torri evaporative è che il raffreddamento è ottenuto a spese di un modesto consumo d acqua (qualche percentuale della portata in circolo), ma con un consumo di energia ridotto rispetto ad un equivalente raffreddamento ad aria. Il consumo d acqua in una torre evaporativa è dato dalla somma di quello per evaporazione, di quello per trascinamento delle gocce d acqua nell aria uscente (di solito nell ordine dello 0,002% della portata d acqua circolante) e di quello di spurgo, variabile in funzione della qualità dell acqua utilizzata, con valori compresi fra il 30 ed il 100% del consumo d acqua per evaporazione. Per quanto riguarda lo spurgo va precisato quanto segue. La continua evaporazione dell acqua provoca un progressivo aumento, nell acqua rimasta, della concentrazione di sali ed altre impurità, anche di quelle assorbite dall aria ambiente. Se non controllata, la concentrazione nell acqua di ricircolo di sali ed altri solidi disciolti aumenta molto rapidamente provocando incrostazioni depositi e corrosioni, che pregiudicano il corretto funzionamento e la durata delle apparecchiature utilizzate. Per limitare l aumento di dette concentrazioni occorre effettuare uno spurgo, vale a dire uno spillamento continuo realizzato a mezzo di una saracinesca posta possibilmente sulla tubazione di entrata dell acqua nella torre. Nella tabella 2 sono riportate le specifiche tecniche delle torri evaporative da utilizzare in accoppiamento agli assorbitori considerati nel presente lavoro. Allo scopo di fornire un idea dei valori in gioco, varrà segnalare che per l assorbitore WFC-SC 30, preso in esame, i valori massimi relativi ai consumi d acqua risultano i seguenti: per evaporazione: 402 l/h; per trascinamento: 1,1 l/h; per spillamento: 402 l/h (valore massimo); per un totale massimo quindi di 805 l/h. Sistema di acqua a perdere Come sopra accennato, soprattutto se le potenze in gioco sono limitate, può essere presa in considerazione per lo smaltimento del calore anche acqua a perdere. Nel caso quindi di cospicue disponibilità di acqua ambiente, prelevata ad esempio da roggia, da pozzo, da lago, da fiume, eccetera, con l interposizione di uno scambiatore per ragioni di sicurezza operativa, può essere adottato uno schema quale quello illustrato nella figura 4. Lo scambiatore lavorerà in controcorrente con temperature atte all ottenimento di quella dettata dalla condensazione, nel nostro caso 31 C (valore di targa), e la quantità d acqua ambiente richiesta sarà facilmente calcolabile con la formula 1 riportata di seguito. Nel caso di utilizzo dell assorbitore WFC-SC 30, supponendo ad esempio che la temperatura dell acqua disponibile sia di 15 C, nota la quantità di calore da smaltire pari a 256,6 kw, risultando il salto termico dell acqua utilizzata di 16 C (31 C - 15 C), si otterrà un impiego d acqua pari a 13,789 l/h.

12 Dal confronto dei valori sopra riportati appare evidente la notevolissima differenza degli utilizzi di acqua fra la soluzione con acqua a perdere 13,789 l/h e quella con torre evaporativa 805 l/h. Scelta dei parametri operativi Le varie considerazioni fatte finora presuppongono che l impianto sia stato ben studiato per la specifica applicazione; in particolare per quanto riguarda le singole apparecchiature sia stata verificata l idoneità degli intervalli di temperatura e delle portate dell acqua calda utilizzata. Figura 6 Morbegno, SEM (Società Elettrica in Morbegno). La climatizzazione della sede SEM, edificio a destra nella foto, è effettuato con assorbitore da 105 kw frigoriferi alimentato con acqua a 82 C fornita dalla centrale di cogenerazione e teleriscaldamento da 14,226 kw ubicato nell immobile a sinistra nella foto. Un attenta progettazione dell impianto deve mirare ad un sostanziale recupero del calore disponibile; ciò è particolarmente necessario allorché questo viene per la massima parte impiegato nell assorbitore, la cui alimentazione e le cui prestazioni sono ad esso strettamente correlate. Una disattenta valutazione delle portate e della compatibilità delle temperature possono rendere il sistema parzialmente inefficiente. Si ipotizzi ad esempio che nel circuito primario, quello di recupero, sia disponibile acqua a temperature di mandata e di ritorno prefissate. Ne consegue che anche nel circuito secondario, quello di alimentazione dell assorbitore, siano teoricamente disponibili le stesse temperature. Qualora l assorbitore fosse in grado di sfruttare tutto il salto termico previsto dal primario, ne risulterebbe un pieno utilizzo della potenza termica disponibile. Va tenuto presente, per contro, che gli assorbitori, qualora operino con temperature di alimentazione inferiori a quelle nominali, vengono sostanzialmente penalizzati. Tutto ciò si traduce praticamente in un parziale utilizzo della potenza disponibile sul primario. L energia termica inutilizzata può naturalmente essere impiegata altrove. Tuttavia il calore a disposizione potrebbe essere stato considerato completamente convertibile nel progetto e, come sopra accennato, se lo stesso non è totalmente fruibile ne risulterà una cospicua riduzione della potenza frigorifera ottenibile. La massima potenza ricavabile si registra in ogni caso allorché la portata del circuito secondario risulta la stessa del circuito primario. Le valutazioni necessarie al dimensionamento del sistema dovranno basarsi sui valori rilevabili dalle curve caratteristiche di prestazione del singolo modello di assorbitore considerato. In figura 2

13 sono riportate quelle relative al WFC SC 30, di potenza frigorifera pari a 105 kw. Servirà in aggiunta l ausilio della formula 1 sotto riportata, che regola i rapporti fra i vari parametri in gioco in un circuito idraulico. P = C T Q (1) dove: P = potenza termica scambiata (kw) C = calore specifico dell acqua, pari a 4,187 (kws/ C l) T = differenziale di temperatura dell acqua ( C) Q = portata volumetrica dell acqua (l/s) La procedura da seguire risulterà la seguente. Fissata la temperatura dell acqua di alimentazione e la temperatura dell acqua di raffreddamento, per valori di portata di targa dell acqua di alimentazione, dalle curve a) e b) della figura 2 si potranno ricavare le potenze frigorifera erogata e quella termica assorbita. Dalla formula 1, note la potenza assorbita e la portata utilizzata si potrà calcolare il salto termico dell acqua nel circuito di alimentazione, valore questo eventualmente necessario al dimensionamento dello scambiatore di interfaccia fra circuito primario e secondario. Qualora si adotti, a parità di temperatura dell acqua di alimentazione, una portata ridotta rispetto a quella di targa si potrà utilizzando la curva c) di figura 2, ricavare il fattore di penalizzazione della potenza erogata e di quella assorbita. Noto quest ultimo, dalla formula 1 si potrà, determinare il differenziale di temperatura dell acqua nel circuito di alimentazione. Per l ottenimento dei vari valori in gioco, in luogo delle procedure sopra indicate, piuttosto laboriose, è possibile utilizzare un programma di calcolo computerizzato appositamente elaborato. Gli esempi sotto riportati chiariranno meglio quanto sopra asserito. Esempi di valutazione delle prestazioni Per un confronto dei risultati è risultato opportuno servirsi della stessa macchina per ogni singola valutazione. Quella presa in esame è stata la WFC SC 30. I valori ottenuti sono stati opportunamente arrotondati. Primo esempio Il primo esempio è costituito dalla macchina operante secondo i valori di targa, che come riportato nella tabella 1 sono; temperatura acqua calda di alimentazione 88 C portata acqua calda di alimentazione 7,2 l/s temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 C A fronte di tali parametri, dalle curve di prestazione si otterrà: Pf potenza frigorifera erogata 105 kw Pt potenza termica assorbita 150 kw temperatura acqua calda in uscita 83 C La temperatura dell acqua calda in uscita è stata ricavata utilizzando la formula 1, che ha evidenziato un T di 5 C.

14 Secondo esempio Si ipotizzi di operare con acqua disponibile a 88 C, con ritorno a 78 C. Alimentando la macchina con acqua a 88 C, con la portata nominale di 7,2 l/s, si otterrà un differenziale di temperatura dell acqua, come sopra riportato, di soli 5 C. Allo scopo di incrementare questo differenziale, si renderà necessario diminuire la portata. Procedendo per successive riduzioni si individuerà nel valore di 2,8 l/s quello che produce nella macchina un salto termico di 10 C. La portata di 2,8 l/s, che corrisponde a circa il 40% di quella nominale, causa come si può rilevare dalla curva c) di figura 2, un fattore di penalizzazione dello 0,8 delle potenze di targa. Ne risulterà quindi una potenza erogata di 84 kw ed una corrispondente potenza assorbita di 120 kw. I parametri di funzionamento della macchina saranno in questo caso: temperatura acqua calda di alimentazione 88 C portata acqua calda di alimentazione 2,8 l/s temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 C Con produzione di: Pf potenza frigorifera erogata 84 kw Pt potenza termica assorbita 120 kw temperatura acqua calda in uscita 78 C Dal confronto con i dati del primo esempio si può dedurre quanto segue. L incremento del differenziale di temperatura dell acqua da 5 C a 10 C ha causato una riduzione della potenza erogata di 21 kw (da 105 kw a 84 kw), pari a circa il 20%, con conseguente riduzione della potenza termica assorbita di 30 kw (da 150 kw a 120 kw), sempre pari al 20%. Terzo esempio Si valutino ora le prestazioni dell assorbitore operante con il valore massimo di temperatura consentito per l acqua di alimentazione, pari a 95 C, sempre con portata di targa di 7,2 l/s e temperatura di condensazione di 31 C. In questo caso le condizioni operative risulteranno le seguenti: temperatura acqua calda di alimentazione 95 C portata acqua calda di alimentazione 7,2 l/s temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 C A fronte delle quali si otterrà: Pf potenza frigorifera erogata 120 kw Pt potenza termica assorbita 190 kw temperatura acqua calda in uscita 88,7 C Rispetto ai valori di targa, l incremento del livello di temperatura di 7 C (da 88 C a 95 C) dell acqua utilizzata ha prodotto una maggiore potenza erogata di 15 kw (120 kw meno 105 kw), pari ad un aumento del 15% circa. I dati di questo esempio relativi alle prestazioni della macchina, ricavati col programma di calcolo computerizzato, sono riportati nella scheda sotto illustrata.

15 Scheda di prestazione WFC SC 30 per temperatura acqua calda di alimentazione 95 C portata acqua calda di alimentazione 7,2 l/s temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 C Portata 15,3 l/s Tempertura ingresso 31 C Perdita di carico (nominale) 43,1 kpa Potenza da disspare 310,8 kw Portata 4,58 l/s Temperatura uscita 7 C Perdita di carico (nominale) 70 kpa Potenza frigorifera erogata 120,3 kw Portata 7,2 l/s Temperatura ingresso 95 C Perdita di carico 54 kpa Potenza termica assorbita 190,5 kw Δt acqua calda di alimentazione 6,3 C N.B. I valori sopra riportati devono essere considerati di semplice riferimento teorico e, pertanto, puramente indicativi. Conclusioni Dagli esempi sopra considerati si possono trarre le seguenti conclusioni. Le prestazioni conseguibili sono fortemente influenzate dal livello entalpico dell acqua utilizzata e dalle variazioni di entalpia che la stessa subisce nel passaggio nella macchina. Il primo dei due valori è individuato dalla temperatura massima dell acqua di alimentazione, il secondo dal differenziale di temperatura prodottosi nel circuito. La massima prestazione dell assorbitore, a parità di ogni altra condizione di funzionamento, è conseguibile adottando per l alimentazione la portata di targa. Ciò in quanto, a portata ridotta corrisponde un salto termico dell acqua maggiore e quindi un sua maggiore variazione entalpica. Nel caso si progetti l utilizzo di calore disponibile in impianto di teleriscaldamento per l azionamento esclusivo di un assorbitore, si dovrà operare in modo tale che questo lavori ai massimi livelli di temperatura disponibili, adottando le portate di targa dell assorbitore considerato. La potenza termica recuperata potrà in tal modo essere completamente convertita in freddo. Si dovrà in ogni caso verificare la compatibilità delle temperature, delle portate, e delle potenze in gioco, in quanto come evidenziato dagli esempi sopra illustrati, non è possibile asservire completamente l assorbitore ai valori di distribuzione termica caratteristici del sistema di teleriscaldamento considerato. I dati di funzionamento degli assorbitori, per condizioni diverse da quelle di targa, possono essere ricavati dalle curve caratteristiche di prestazione. Va tenuto presente al riguardo che l effetto moltiplicativo prodotto dalla contemporanea adozione di differenti parametri operativi può generare risultati non pienamente attendibili. In altri termini, ciò significa che i valori ottenuti variando più condizioni di esercizio debbono essere considerati solo indicativi e, come tali quindi utilizzati.

16 Per ulteriori informazioni contattare: Associazione Climgas Via Scarsellini Milano MI Tel: Fax: climgas@anima.it Milano 2/2012