12c Impianto frigorifero - compressore volumetrico dimensionamento

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Marino Cuomo
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1 Uniersità degli studi di Bologna D.I.E.M. Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia c Impianto frigorifero compressore olumetrico dimensionamento re. Noembre 008

2 Specifiche di progetto () Potenzialità (potenza frigorifera) Q & f (90.7) kcal/h kw Temperatura cella fredda t f 5 C Temperatura ingresso acqua di refrigerazione t i 0 C Temperatura uscita acqua di refrigerazione t u 3 C

3 Specifiche di progetto () Determinare le dimensioni principali del condensatore (diametro mantello e lunghezza con n passaggi) Minima differenza di temperatura al aporizzatore τ 5 C Minima differenza di temperatura al condenstore τ k 8 C Velocità attraersamento dell acqua nei nei tubi w.0 m/s Coefficiente di scambio lato apore α 300 W/(m K) Coefficiente di scambio lato acqua (da erificare) α a 7000 W/(m K) Coefficiente di sporcamento lato acqua f a 0.8 Tubi per condensatore d i d e 4 6 mm (ottone) Passo tubi per condensatore p d e (maglia a triangoli equilateri) Conduttiità termica ottone (tubi) λ 50 W/(mK) Coefficiente utilizzo piastra tubiera f up

4 Specifiche di progetto (3) compressore Caduta di pressione alola aspirazione Caduta di pressione alola mandata Coefficiente di spazio nocio p a p m m bar bar Velocità media del corsoio c m 4.5 m/s Rapporto corsa/diametro s/d?? Numero di cilindri z?? Velocità di rotazione n 450 giri/min Rendimento meccanico Rendimento di fuga e termico η m η t η f

5 traccia per la risoluzione Si calcolino le seguenti grandezze: Ciclo termodinamico e stati fisici di tutti i punti caratteristici Coefficiente di effetto frigorifero (COP) Portata di fluido operatore Potenza assorbita dal compressore Potenza scaricata al condensatore Cilindrata del compressore Superficie di scambio del condensatore Dimensioni principali del condensatore (diametro mantello e lunghezza) 5

6 Fluido frigorifero (R40A) Fluido frigorifero R40A Miscela zeotropica R3R5 (50%,50%) R40A R ODP 0 GWP () 75 GWP () 340 t glide p crit t crit 0. C (a MPa) 47.7 bar 70.7 C CO R3 R M 7.59 kg/kmol κ.73 κ m_.00 6

7 Layout (semplice compressione secca) 7

8 R40A (miscela ZEOTROPICA) h p k 4 bar 3 3 t p 5.8 bar A o 4 B h 85.6 h h h t h 465 A 8

9 p A h A A A s A kj/(kg K).876 kj/(kg K) s A c pa Eaporatore A c pa.034 kj/(kg K) µ A Pa s µ A Pa s λ A 0.00 W/(m K) λ A W/(m K) σ 0.00 N/m Stati fisici (saturazione) bar t A 9.70 C t A 9.6 C h A kj/kg kj/kg dm 3 /kg dm 3 /kg kj/(kg K) p 3 h s 3.73 kj/(kg K).798 kj/(kg K) s 3 c p3 Condensatore bar t C t C h kj/kg kj/kg dm 3 /kg dm 3 /kg kj/(kg K) c p kj/(kg K) µ Pa s µ Pa s λ W/(m K) λ W/(m K) σ N/m 9

10 t, : apore surriscaldato p t t h t t s t t 7.7 C h kj/kg s c pa 4 bar 60.7 C kj/kg.00 dm 3 /kg.876 kj/(kg K) 3.0 dm 3 /kg.85 kj/(kg K).4634 kj/(kg K) c pa.034 kj/(kg K) λ A W/(m K) Stati fisici (). pagg. successie 4: apore saturo umido h kj/kg s 4.5 kj/(kg K) c pa.4634 kj/(kg K) c pa.034 kj/(kg K) λ A 0.00 W/(m K) λ A W/(m K) 0

11 Bilancio termico alla cella fredda Q& m& f r Portata massica di fluido frigorifero ( h h ) m& ( h h ) Portata acqua di refrigerazione m& kg s 6887 ( h h ) ( ) h Q& f B 4 A r 4 kg Portata olumetrica aspirata dal compressore V& m& r dm /s

12 Compressione secca 4.0. k T t Tβ K 60.7 C 5.8 Rendimento isoentropico del compressore h t Lt h t h L h h Stato fisico di fine compressione reale tt t 60.7 ( 9.6) t t+ 7.7 C η η ic Stato fisico teorico di fine compressione ic k COP h h L

13 Rendimento di carica )].005(4.3 [ /. f t n p p m η η β η cm cm n V V η & Cilindrata compressore (totale)

14 Corsa Area frontale complessia Area frontale unitaria Alesaggio corsa/alesaggio 30 cm s n V Ap s Ap Ap z d s d π manoellismo 4A cm cm cm 6 p π 0.9 (accettabile) 0.35 cm 4

15 condensatore 5

16 Bilancio termico al condensatore Q& Q& m& m& ( h h) kw MW ( h h) m& c ( t t ) m& c t 0 Portata acqua di refrigerazione m& t u m& H t k 350 t/h τ Q& c t min H O u 97. kg/s i C t 0 C O H O 506 kg/s massa acqua specifica m& H 506 kg/s kg O H m H 5 O m & 97. kg/s kg O 6

17 Coefficiente globale scambio termico λ ottone 00 W mk s d e d i 0 mm, λ s W m K 7

18 Coefficiente globale scambio termico K α s + + λ α H 0 Nel caso di fluido condensante i alori di coefficiente di scambio termico sono molto eleati e fortemente dipendenti dalla geometria e dalla elocità del apore Nota: il diagramma seguente è alido per ebollizione. α kcal W ( tk t ) h m K m K f p 8

19 Coefficiente globale scambio termico 3 K α + s + λ α H 0 α H W f ( Nu) f ( w, t ) 8000 m K O Si assuma w m/s t m (77)/ C alore da ricordare!!!! 9 w

20 Coefficiente globale scambio termico 4 0 K K K K f s K a H m kw 4 m W α λ α Coefficiente sporcamento lato acqua

21 Diagramma di scambio t t k 33 C t u 7 C τ τ τ min t i 7 C Q Salto medio logaritmico (LMTD) τ m ( τ τ ) (6 6) 0. C ln ( τ / τ ) ln( 6 / 6)

22 Superficie di scambio S Q& Kτ m 3 0 kw kw 4 0. K m K 500 m m& t u A p Area frontale di passaggio acqua 350 t/h 97. kg/s t k τ m& H min O ρ w C t 0 C kg/s 3 kg/m m/s.53 m

23 Numero di tubi Numero tubi 3 tubi) (numero di 8056 ) 0 (.53 m 4 4 ; 4 π π π i p p p i p d A z A z A d A Area laterale tubi 9.34 m 8056 m m π π π z d A l l z d A e l e l

24 Area piastra tubiera Diametro piastra tubiera h 3 p p. 6 d e A A p p A za f p up 3 p h.6 de.6 de m d e m d pt 4A π p 4 0 m π 3.6 m 4

25 Bocca del apore Si assuma: d d pt 3.6 m w 8. m /kg 4 m& π d π 3.6 Con passaggio 67.4 m/s 5

26 Condotto scarico acqua w H O m/s d H O 4 m& π w H H O O π m 6

27 Architettura passaggio 3.6 m 9 m 0.5 m La soluzione ad un passaggio non garantisce una buona distribuzione del apore in direzione trasersale 7

28 Bocca del apore (p) Per consentire l afflusso del apore ad una minore elocità E con una migliore distribuzione coniene adottare una soluzione a due passaggi il che richiede il raddoppio dell area della piastra tubiera A p A A 0 m d d 5 m; w w m/s Con passaggi 8

29 Architettura passaggi l 4.5 m d 5 m Nella soluzione a due passaggi il numero di tubi raddoppia e la loro lunghezza si dimezza lasciando quindi inariata la superficie di scambio precedentemente calcolata 9

30 Bibliografia Institute International du Froid Thermophysical Properties R40A 00, ISBN

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