Modulo 9 Impianti frigoriferi ad assorbimento

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1 Corso di Impianti Meccanici Laurea Triennale Modulo 9 Impianti frigoriferi ad assorbimento Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Dott. Ing. Marco Pellegrini Dott. Ing. Michele Gambuti Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

2 Agenda Introduzione Soluzioni binarie ed operazioni elementari Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di acqua e bromuro di litio 2/60

3 Introduzione Qualsiasi impianto frigorifero deve trasferire determinate quantità di calore da locali, derrate, fluidi, a temperatura più bassa, all aria o all acqua dell ambiente esterno a temperatura più elevata. Questi trasferimenti di calore richiedono che venga compiuto del lavoro. Negli impianti muniti di compressore si fornisce energia nella forma meccanica (ottenuta in genere tramite motori che richiedono energia elettrica). Negli impianti frigoriferi ad assorbimento si fornisce energia essenzialmente nella forma termica. Se l energia termica è di alta qualità (ovvero ad elevata entalpia, ad esempio resa disponibile dalla combustione diretta di combustibile pregiato) gli impianti frigoriferi ad assorbimento non risultano energeticamente convenienti nei confronti di quelli a compressione. L impianto ad assorbimento risulta invece interessante se viene alimentato con calore che altrimenti andrebbe perduto. L impiego di una macchina operatrice, e quindi di energia elettrica, per riportare il fluido alla pressione di condensazione è comunque necessaria ma, assorbendo il fluido frigorifero in una soluzione liquida, si affida questo compito ad una pompa e non ad un compressore, con notevoli vantaggi dal punto di vista energetico, del costo, degli ingombri e della manutenzione. 3/60

4 Esistono due tipologie di miscele liquide: Introduzione alcune sono costituite da componenti che rimangono separati tra loro, come avviene ad esempio per acqua e olio; altre sono costituite da componenti in grado di miscelarsi intimamente, come avviene per acqua e ammoniaca. Esiste comunque un limite alla solubilità di un componente nell altro, che dipende dalla pressione e dalla temperatura della miscela. In particolare, al crescere della temperatura, la soluzione si impoverisce del componente più bassobollente. (Esistono anche sostanze che, se aggiunte a soluzioni immiscibili, le rendono miscibili: si pensi alla funzione della bile, nel corpo umano, rispetto ad una soluzione di acqua e olio). Gli impianti ad assorbimento che presentano le applicazioni di maggior interesse impiegano prevalentemente la soluzione acqua e ammoniaca (H 2 0 NH 3 ) o la soluzione acqua e bromuro di litio (H 2 0 LiBr). Nel primo caso il fluido frigorifero è l ammoniaca e pertanto può coprire l intero campo di applicazione dei normali impianti a compressione. Nel secondo caso il fluido frigorifero è l acqua e di conseguenza le applicazioni sono limitate al campo della semplice refrigerazione, con temperature nettamente al di sopra di 0 C. 4/60

5 Introduzione L impianto frigorifero ad assorbimento è costituito fondamentalmente da due parti. Nella prima di queste, presente anche negli impianti a compressione, il fluido frigorifero passa dall ambiente ad alta pressione (condensatore C ed eventuale ricevitore di liquido RL) a quello di bassa pressione (separatore S e circuiti di evaporazione) attraverso la laminazione L. Nella seconda, che si sostituisce al compressore degli impianti a compressione, il vapore frigorifero ottenuto dal separatore viene assorbito in una soluzione liquida, dopo di che può essere riportato alla pressione più elevata con una pompa P. Viene infine separato dalla soluzione liquida per essere avviato al condensatore. L assorbimento avviene nell assorbitore A ed è favorito dalla sottrazione di calore. Minore è la temperatura che si riesce a raggiungere e minore è la quantità di soluzione necessaria per assorbire 1 kg di vapore frigorifero. La separazione della soluzione liquida avviene nel generatore G introducendo calore. I vapori che si liberano non sono composti esclusivamente da vapori di fluido frigorifero: tra il generatore e il condensatore risulta necessario introdurre una colonna di rettifica per garantire una certa purezza del fluido frigorifero. 5/60

6 Agenda Introduzione Soluzioni binarie ed operazioni elementari Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di acqua e bromuro di litio 6/60

7 Soluzioni binarie ed operazioni elementari Due sono i diagrammi fondamentali impiegati nello studio delle soluzioni binarie: il diagramma temperatura-concentrazione (T-c) e il diagramma entalpia-concentrazione (H-c). Sul diagramma T-c, per un determinato valore di pressione p, si hanno 4 curve fondamentali che individuano le fasi del solido, del liquido e del vapore e che si appoggiano ai valori delle temperature di vaporizzazione T v e di solidificazione T s dei 2 componenti A e B della soluzione. Le 4 curve fondamentali sono la curva di condensazione, di vaporizzazione, di solidificazione e di fusione. Ad una generica concentrazione c della soluzione, a temperatura più bassa di T f troviamo la fase solida, tra T s e T v troviamo la fase liquida, oltre T c troviamo la fase vapore. Tra T s e T f si ha la miscela eterogenea di liquido e solido, tra T c e T v la miscela eterogenea di liquido e vapore. È da notare che, contrariamente a quanto avviene per i componenti puri, per la soluzione a una generica concentrazione c, la temperatura varia durante le fasi di vaporizzazione e di solidificazione. 7/60

8 Soluzioni binarie ed operazioni elementari Si consideri una soluzione liquida sottoraffreddata rappresentata dal punto (1). Introducendo calore si raggiunge il punto (2) di liquido saturo, pronto per vaporizzare. Alla fine della vaporizzazione si ha un vapore saturo secco (3) dal quale, introducendo ancora calore, si passa a vapore surriscaldato (4). Il punto (M) rappresenta una miscela eterogenea la cui fase liquida si trova allo stato fisico rappresentato dal punto (L), e la cui fase vapore si trova allo stato fisico dato dal punto (V). La concentrazione del componente B nella miscela eterogenea (M) è: c M = x c V + 1 x c L Il titolo x del vapore presente nella miscela eterogenea (M) è quindi dato da: x = c M c L c V c L = LM LV 8/60

9 Soluzioni binarie ed operazioni elementari È da notare che durante l evaporazione o la condensazione di una soluzione binaria, la fase liquida è più ricca del componente che presenta la T v maggiore (componente più altobollente). Questo giustifica i fenomeni di corrosione che a volte si manifestano in conseguenza alla condensazione di vapori (es: fumi) pur con un modesto contenuto di sostane aggressive (es: composti dello zolfo). Infatti all inizio della condensazione (3 M) la miscela (M) è costituita da vapore (V) con concentrazione nei confronti di B lievemente maggiore; Il liquido (L) presenta invece concentrazioni notevoli nei confronti di A. A lievi tracce del componente A nei vapori possono quindi corrispondere contenuti elevati nella condensa e, se il componente A presenta proprietà aggressive, si assiste ai fenomeni di condensa acida. 9/60

10 Soluzioni binarie ed operazioni elementari Passando al diagramma entalpia-concentrazione (H-c), prima ancora di segnare le curve fondamentali, va ricordato che, se si mescolano due quantità in massa G 1 e G 2 di soluzione in condizioni diverse, rappresentate dai punti (1) e (2), si ottiene una soluzione dalle caratteristiche rappresentate dal punto (3): H 3 = H 1G 1 + H 2 G 2 G 1 + G 2, c 3 = c 1G 1 + c 2 G 2 G 1 + G 2 Il punto (3) si trova sul segmento 12 e lo divide nelle parti: 13 = G 2 G 1 + G 2 12, 32 = G 1 G 1 + G /60

11 Soluzioni binarie ed operazioni elementari Anche sul diagramma H-c per un determinato valore della pressione p, si hanno 4 curve fondamentali che dividono le fasi del solido, del liquido e del vapore dalle miscele eterogenee liquido-solido e liquido-vapore che si appoggiano ai valori di entalpie del vapore saturo H V, del liquido saturo H L, di inizio e fine solidificazione, dei due componenti A e B. Tra queste interessano fondamentalmente le curve del vapore e del liquido. Il punto (1) rappresenta lo stato fisico di una soluzione liquida sottoraffreddata; introducendo calore si può passare a (2) che rappresenta una soluzione liquida satura. Il punto (3) è vapore saturo secco e (4) è vapore surriscaldato. (M) rappresenta le caratteristiche di una miscela eterogenea liquido (L) e vapore (V). Per quanto visto sul diagramma T-c, i punti (V) e (L) devono trovarsi sulla stessa isoterma passante per (M). L andamento di una isoterma sul diagramma H-c è rappresentato nella figura a lato. Di seguito analizzeremo alcune operazioni elementari riportate sul diagramma H-c. 11/60

12 Soluzioni binarie ed operazioni elementari a) Evaporazione parziale di una soluzione Partendo dallo stato fisico (1) di liquido sottoraffreddato, si raggiunge lo stato (2) di liquido saturo introducendo la quantità specifica di calore q 12 = H 2 H 1. Introducendo successivamente la quantità q 2M = H M H 2 si ottiene la miscela eterogenea rappresentata da (M), che può essere separata nelle sue fasi di liquido e vapore. I punti (L) e (V) rappresentativi di dette fasi si trovano alla stessa temperatura e allineati con il punto (M). Il rapporto tra le quantità di vapore e di liquido è LM = c M c L. MV c V c M Da notare che in questo modo si può ottenere vapore più concentrato (rispetto al componente B) della soluzione originale. b) Condensazione parziale di un vapore Partendo da vapore surriscaldato (1) si ottiene vapore saturo (2) sottraendo la quantità specifica di calore q 12 = H 1 H 2. Sottraendo successivamente il calore q 2M = H 2 H M si ottiene una miscela eterogenea (M) che può essere separata nelle fasi di liquido (L) e di vapore (V). Anche in questo caso il vapore ottenuto è più concentrato nel componente B. 12/60

13 Soluzioni binarie ed operazioni elementari c) Assorbimento Si consideri 1 kg di vapore nello stato (V) assorbito in g kg di una soluzione liquida (L). Le caratteristiche della miscela sono date dal punto (M) allineato con (L) e con (V) e tale che: 1 g = LM MV = c M c L = H M H L c V c M H V H M Da queste proporzioni si ottengono H M e c M. La miscela eterogenea ottenuta (M) è costituita da una fase liquida (L ) e da una fase vapore (V ) alla stessa temperatura t. La miscela (M) non è idonea ad essere pompata; bisogna quindi togliere calore per portare la soluzione almeno allo stato di liquido saturo (1), dopo di che si potrà trasferire la soluzione liquida, ad esempio con una pompa sottobattente. La quantità specifica di calore da sottrarre alla miscela eterogenea è q M1 = H M H 1. La quantità specifica riferita al vapore assorbito è quindi q = (H M H 1 )(1+g). 13/60

14 Soluzioni binarie ed operazioni elementari d) Concentrazione Fig. d1) Combinando le operazioni considerate in a) e in b), partendo da una soluzione liquida satura (1) e introducendo calore, è possibile ottenere vapore con una concentrazione maggiore (V). Raffreddando il vapore formato è possibile passare dal vapore (V) alla miscela (M ), costituita da un vapore (V ) a concentrazione ancora più elevata. Questa operazione può essere ripetuta per (V ) ottenendo (V ). Ovviamente partendo da una certa quantità di liquido in (1), si otterrà alla fine una quantità ben modesta di vapore (V ). Fig. d1 Fig. d2 Fig. d2) Supponendo di mescolare vapore (V) con liquido (L) a concentrazione più elevata. La miscela (M) tende a separare vapore (V ) con concentrazione maggiore. Il liquido ideale che si vorrebbe utilizzare per concentrare il vapore (V) è pertanto (L 0 ) che, nella pratica, proviene a volte dalla condensazione di vapore estremamente concentrato (V 0 ). 14/60

15 Soluzioni binarie ed operazioni elementari Nelle colonne di rettifica si attua un processo continuo in cui il vapore da concentrare sale, incontrando liquido fornito dalla condensazione di una parte del vapore ottenuto alla sommità della colonna. Con l ipotesi che i fluidi siano saturi, (1), (2) e (3) sono rispettivamente i punti rappresentativi del vapore all entrata, del vapore all uscita e del liquido all uscita della torre. Ipotizzando di rimescolare il vapore uscente (2) con il liquido uscente (3), il punto rappresentativo della miscela (M) deve trovarsi sul segmento 23 e deve trovarsi alla concentrazione iniziale (1), perché tanto componente B è entrato con (1) e tanto ne deve uscire complessivamente con (2) e (3) in regime stazionario. Da notare che tale operazione, se effettuata realmente, sarebbe deleteria in quanto comporterebbe una diminuzione della concentrazione del vapore. La quantità di liquido (3) riferita ad 1 kg di vapore (2) vale: p = M2/32 3M/32 = M2 3M = c 2 c M c M c 3. La quantità di vapore (1) da inviare alla torre vale: 1 + p = c 2 c 3 c M c 3. La quantità di calore da sottrarre è data da: q = (H 1 HM)(1 + p). 15/60

16 Agenda Introduzione Soluzioni binarie ed operazioni elementari Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di acqua e bromuro di litio 16/60

17 Diagramma p-h dell ammoniaca (R717) 17/60

18 Schema semplificato dell impianto ad assorbimento ad ammoniaca 18/60

19 Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Schema di processo Diagrammi H-c e p-h Si considera una portata unitaria di vapore che si libera dal separatore S e ad esso vengono riferite le altre portate di fluido (indicate tra parentesi quadre) e le quantità energetiche scambiate q i. 19/60

20 Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Dati di progetto 1) La temperatura che si vuole raggiungere in cella frigorifera, determina la temperatura di evaporazione t v del fluido frigorifero. Poiché il fluido frigorifero è già stato individuato (è ammoniaca) è nota anche la pressione di evaporazione p v. Ad esempio, per una cella a 0 C, si possono considerare t v 10 C e p v 3 bar. 2) La fonte di raffreddamento disponibile al condensatore determina la temperatura di condensazione t c del fluido frigorifero e, poiché l impianto utilizza ammoniaca, risulta nota la pressione di condensazione p c. Ad esempio, nel caso sfortunato in cui per il raffreddamento sia disponibile dell aria a 40 C, l ammoniaca dovrà condensare ad una temperatura t c 50 C e ciò avviene ad una pressione p c 20 bar. 20/60

21 Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Dati di progetto 3) La fonte di calore utilizzata nel generatore determina la temperatura massima realizzabile nel generatore t max. Più alta è tale temperatura e più elevata sarà la quantità di vapore di NH 3 che si riesce a liberare e ad utilizzare come fluido frigorifero. Solitamente si impiegano cascami termici a contenuto entalpico relativamente modesto, arrivando a temperature nel generatore difficilmente sopra i C. 4) La fonte di raffreddamento disponibile all assorbitore determina la temperatura minima realizzabile nell assorbitore t min. Più bassa è tale temperatura, più favorito sarà l assorbimento dell NH 3 nella soluzione acquosa da pompare fino alla pressione di condensazione. Per analizzare l impianto si utilizzeranno 2 diagrammi H-c sovrapposti, uno alla pressione di evaporazione p v e uno alla pressione di condensazione p c. Occorre pertanto fare attenzione ad isolare le curve ed i punti che interessano. 21/60

22 Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Concentrazione ricca e concentrazione povera Dai dati iniziali di progetto risultano note p c, p v, t max e t min. Risultano pertanto note la minore e la maggiore concentrazione in ammoniaca raggiungibili dall impianto, chiamate rispettivamente concentrazione povera c p e concentrazione ricca c r. È da notare che se t max aumenta, l isoterma corrispondente si sposta verso sinistra e c p si abbassa (evapora più NH 3 nel generatore). Se t min cala, l isoterma corrispondente si sposta verso destra e c r cresce (si riesce ad assorbire più ammoniaca nell assorbitore). Risultano inoltre identificati lo stato (6) di liquido nel generatore e all uscita della torre di rettifica alla pressione p c e alla concentrazione povera c p (ipotizzato saturo), e lo stato (3) di liquido uscente dall assorbitore alla pressione p v e alla concentrazione ricca c r (ipotizzato saturo). t max p c c p t min p v c r p c c p Liq. saturo (6) p v c r Liq. saturo (3) 22/60

23 Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Assorbitore (pressione = p v ) Entra: 1 kg di vapore saturo di NH 3 (1) g kg di soluzione povera in NH 3 ; lo scambio termico e la laminazione devono essere tali da permettere di ottenere del liquido sottoraffreddato o saturo 2 Esce: 1+g kg di soluzione ricca in NH 3 3 Si indica con (M) l intersezione tra il segmento 12 e la retta a concentrazione ricca c r. (M) rappresenta le caratteristiche medie dei fluidi entranti (1) e (2) se venissero mescolati. Il calore da sottrarre alla quantità unitaria di soluzione uscente (3) vale H M H 3, per cui, riferendosi alla quantità di vapore entrante (1), si ha: q a = H M H g 23/60

24 Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Si ricava g dalle seguenti proporzioni: g 1 = 1M 2M = 1 c r c r c p 1 + g = 1 c p c r c p La pompa elabora (1 + g) kg di soluzione per ogni kg di fluido frigorifero. Più la differenza (c r c p ) risulta piccola, ovvero più le due temperature t max e t min sono vicine, maggiore è la portata che la pompa deve elaborare è, di conseguenza, più impegnativa e costosa risulta la pompa impiegata. Se (c r c p ) 0, la portata elaborata tenderebbe ad infinito. È bene ricordare che, in presenza di cascami termici disponibili (necessari al generatore), l impianto frigorifero ad assorbimento è stato preso in considerazione rispetto al tradizionale impianto a compressione proprio perché l innalzamento della pressione del fluido frigorifero viene affidato ad una pompa e non ad un compressore (più energivoro). Se il costo della pompa diventasse elevato, l impianto ad assorbimento non sarebbe più giustificabile. 24/60

25 Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Si indica con (T) l intersezione del segmento passante per i punti (2) e (3) con l ordinata c=1 (NH 3 ). Per similitudine tra i triangoli 2M3 e 21T, si ricava la potenza termica asportata nell assorbitore per kg di fluido frigorifero: q a = H M H g = H M H 3 1 c p c r c p = H 1 H T 25/60

26 Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Colonna di rettifica (pressione = p c ) Si ipotizza che il vapore saturo (7) entri alla stessa temperatura del liquido saturo uscente (6). Sul diagramma H-c il punto (7) viene identificato intersecando la curva di saturazione (a pressione p c ) con l isoterma t max. Si identifica inoltre la concentrazione c n del vapore (7). 26/60

27 Entra: 1+p kg di vapore saturo nello stato (7). Esce: Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca 1 kg di vapore saturo di NH 3 (8); p kg di soluzione povera nello stato (6); (N) rappresenta le caratteristiche medie dei fluidi uscenti se venissero mescolati. Il calore da sottrarre alla ipotetica quantità unitaria di miscela uscente (N) vale H 7 H N, per cui riferendosi alla quantità unitaria di vapore (8) uscente dalla torre di rettifica, si ha: q s = H 7 H N 1 + p Si ricava p dalle seguenti proporzioni: p 1 = 8N 6N = 1 c n c n c p 1 + p = 1 c p c n c p 27/60

28 Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Si indica con (Z) l intersezione del segmento passante per i punti (6) e (7) con l ordinata c=1 (NH 3 ). Per similitudine tra i triangoli 67N e 6Z8, si ha: q s = H 7 H N 1 + p = H 7 H N 1 c p c n c p = H Z H 8 28/60

29 Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Scambiatore di recupero g 1 = 1M 2M = 1 c r c r c p 1 + g = 1 c p c r c p Si può determinare H 4 per similitudine tra triangoli 6Z8 e 6OP: H 4 H 3 = q s = H 4 H g q s 1 + g = H Z H 8 c r c p 1 c p = H O H P H 4 = H 3 + H O H P 29/60

30 Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Il punto (5) all uscita dello scambiatore di recupero si trova a concentrazione ricca c r e sul segmento 6V, essendo (V) determinato dall incontro del segmento 24 con l asse dell NH 3. Il liquido all uscita dallo scambiatore è leggermente sottoraffreddato per evitare che del vapore venga inviato all assorbitore, dove sarebbe modesta la sua partecipazione all assorbimento del fluido frigorifero. 1 + g H 5 H 4 = g H 6 H 2 H 5 H 4 = H 6 H 2 g 1 + g = H 6 H 2 1 c r 1 c p 30/60

31 Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Si indica (U) l intersezione di 64 con l asse dell NH 3. Considerato i triangoli simili 642 e U4V, il calore scambiato nello scambiatore di recupero vale: q R = H 6 H 2 g = H 6 H 2 1 c r c r c p = H V H U 31/60

32 Generatore + colonna di rettifica (pressione = p c ) Entra: 1+g kg di soluzione ricca nello stato (5). Esce: Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca 1 kg di vapore saturo di NH 3 nello stato (8); g kg di soluzione povera nello stato (6). (P) rappresenta le caratteristiche medie dei fluidi uscenti dal sistema generatore + colonna di rettifica se venissero mescolati. Al complesso generatore + torre di rettifica viene ceduto il calore q g q s. Considerando i triangoli simili 68V e 6P5, si ha: q g q s = H P H g = H P H 5 1 c p c r c p = H 8 H V Ricordando che q s = H 7 H N 1 + p = H 7 H N 1 c p c n c p = H Z H 8 q g = H 8 H V + q s = H 8 H V + H Z H 8 = H Z H V 32/60

33 Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Bilancio finale Il calore estratto dal condensatore vale: q c = H 8 H 9 Il calore fornito dagli evaporatori vale: q v = H 1 H 10 Trascurando l apporto energetico fornito dalla pompa, si ha: potenza entrante = q v + q g ; potenza uscente = q a + q c ; q v + q g = q a + q c 33/60

34 Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Valutazioni numeriche: T v = 10 C p v = 3 bar T c = 50 C p c = 20 bar 34/60

35 Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Concentrazione ricca: p v = 3 bar a) T min = 20 C c r = 0,52 b) T min = 30 C c r = 0,44 c) T min = 40 C c r = 0, C 140 C 20 bar Concentrazione povera: p c = 20 bar a) T max = 160 C c p = 0,19 b) T max = 140 C c p = 0,27 3 bar 40 C 30 C 20 C 35/60

36 Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Considerando il caso più sfortunato (T max =140 C e T min =40 C), la differenza tra concentrazione ricca e povera vale: c r c p = 0,38 0,27 = 0,11 La portata che la pompa deve elaborare per ogni kg di fluido frigorifero vale: 1 + g = 1 c p c r c p = 1 0,27 0,38 0,27 = 6,6 kg soluzione kg f. frigo Dal diagramma p-h si legge il calore di vaporizzazione per ammoniaca a -10 C: r = 1300 [kj/kg] Ipotizzando un impianto da 13 MW di potenza frigorifera, la portata di fluido frigorifero che deve circolare negli evaporatori è pari a: G = Q f r = = 10 [kg/s] 1300 La pompa deve pertanto elaborare: 1 + g G = 6,6 10 = 66 [kg/s] 238[m 3 /h] 36/60

37 Agenda Introduzione Soluzioni binarie ed operazioni elementari Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di acqua e bromuro di litio 37/60

38 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Consideriamo sul diagramma T-c una soluzione binaria con una curva del vapore che corre molto vicino all asse A. Partendo da una soluzione liquida (1) con concentrazione rispetto a B anche abbastanza elevata, introducendo calore e separando le fasi si può ottenere vapore (V) piuttosto concentrato nei confronti di A. Nel caso della soluzione H 2 0-LiBr, il soluto B è un sale (LiBr) con tensione di vapore del tutto trascurabile fino a 140 C. Nel campo di applicazione della refrigerazione, la curva del vapore coincide praticamente con l asse delle ordinate A e si può ottenere un vapore di acqua praticamente puro e surriscaldato da una soluzione liquida con una certa concentrazione di LiBr. Si realizzano pertanto impianti frigoriferi ad assorbimento nei quali il fluido frigorifero è l acqua e il vapore ottenuto dal generatore passa direttamente al condensatore senza bisogno della colonna di rettifica. È da tenere presente che: negli impianti frigoriferi ad assorbimento ad ammoniaca i termini concentrazione povera e concentrazione ricca sono riferiti al tenore di fluido frigorifero (NH 3 ) in soluzione; negli impianti a bromuro di litio, ci si riferisce al LiBr e non al fluido frigorifero (acqua). 38/60

39 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Lo schema di processo riportato in figura fa riferimento ad una realizzazione particolarmente compatta di un impianto a bromuro di litio per refrigerazione d acqua. Nel generatore di vapore G e nel condensatore C la pressione assoluta p c è dell ordine di un decimo di atmosfera. Nel vaporizzatore V e nell assorbitore A la pressione assoluta p v e dell ordine del centesimo di atmosfera. Riunendo i componenti alla stessa pressione in un unico contenitore risulta vantaggiosa dal punto di vista della tenuta, dei collegamenti e della compattezza. Nel generatore la soluzione povera (di LiBr) viene riscaldata a circa T 1 =70 90 C (grazie ad acqua a C) e si concentra liberando vapore d acqua praticamente puro. Questo vapore passa poi nel condensatore (a circa T C =45 C) cedendo calore all acqua di raffreddamento che lascia lo scambiatore ad una temperatura di T u =40 C. L acqua di raffreddamento può venire, a sua volta, raffreddata in circuito chiuso, tramite una torre di raffreddamento. 39/60

40 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr La condensa viene laminata e scende al vaporizzatore. La vaporizzazione avviene alla temperatura T V =4 5 C, mentre il fluido da raffreddare (di solito acqua) viene portata dalla temperatura T a =12 13 C a quella T b =7 8 C. Poiché sono necessari piccoli ΔT tra acqua frigorifera e acqua da refrigerare, è necessario favorire lo scambio termico utilizzando atomizzatori e facendo ricircolare la condensa del fluido frigorifero con una pompa P v. Il vapore che si produce al vaporizzatore passa all assorbitore dove giunge anche la soluzione ricca (in LiBr) proveniente dal generatore. Il vapore d acqua viene assorbito dalla soluzione, con sottrazione di calore, e la diluisce. Per rendere possibile l assorbimento occorre sottrarre calore all assorbitore con acqua di raffreddamento; questa entra alla temperatura T e =30 C, esce a T i =35 36 C e viene poi mandata generalmente a raffreddare il condensatore. Per migliorare le condizioni alle quali avviene l assorbimento, una pompa P a mette la soluzione che sta assorbendo il vapore in ricircolo. La soluzione povera, con temperatura di T 5 =35 40 C e concentrazione c p =0,55 0,60 abbandona l assorbitore per essere mandata con una pompa P al generatore dopo aver attraversato lo scambiatore di recupero S. La soluzione ricca (c r =0,63 0,67) che scende dal generatore, cede calore alla soluzione povera nello scambiatore di recupero, subisce una riduzione di pressione e arriva all assorbitore. 40/60

41 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Per le nostre valutazioni si farà riferimento a: diagramma H-c della soluzione H 2 0-LiBr, con curva del vapore coincidente con l ordinata c=0; diagramma H-s dell acqua; da questo è possibile ricavare il valore dell entalpia del vapore surriscaldato di acqua in equilibrio con una data soluzione satura, in funzione della pressione e della temperatura della soluzione stessa. Ipotesi semplificative: si trascurano le cadute di pressione al passaggio dal generatore al condensatore e dal vaporizzatore all assorbitore; si assume che la soluzione povera all uscita dall assorbitore, la soluzione ricca all uscita del generatore e la condensa allo scarico del condensatore, siano sature; si assume che il vapore d acqua all uscita del vaporizzatore sia saturo secco; si trascurano le variazioni di temperatura e di entalpia della soluzione povera attraverso la pompa. 41/60

42 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Schema di processo Diagrammi H-s e H-c 42/60

43 Diagramma H-s (di Mollier) per l acqua Formazione di condensa T [ C] 0, p sat [kpa] 0,6113 0,8721 1, ,339 3,169 4,246 T [ C] p sat [kpa] 5,628 7,384 9,593 12,349 15,758 19,940 25,03 T [ C] p sat [kpa] 31,19 38,58 47,39 57,83 70,14 84,55 101,3 43/60

44 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Dati di progetto 1) Per ottener acqua refrigerata a 7 8 C, occorre del vapore a 4 5 C. Essendo il fluido frigorifero acqua, è nota anche la pressione di evaporazione p v 8mbar. 2) La massima temperatura raggiungibile nel generatore, T1, nota la p c, determina la concentrazione ricca c r. 3) Con acqua a 35 C disponibile al condensatore, si riesce a condensare il vapore d acqua a circa 45 C. La pressione di condensazione del vapore è p c 100mbar. 4) La minima temperatura realizzabile nell assorbitore, T5, nota la p v, determina la concentrazione povera c p. t max p c c r t min p v c p 44/60

45 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Nel generatore, grazie all apporto di calore dall esterno, viene superata la temperatura di saturazione corrispondente ai valori della pressione p c e della concentrazione c p e si ottiene del vapore surriscaldato alla T 1. Infatti la soluzione salata bolle ad una temperatura superiore rispetto al componente puro acqua; Il vapore d acqua che si libera si trova quindi alla temperatura di saturazione della soluzione salata, maggiore rispetto alla temperatura di saturazione del solo componente acqua. Il vapore che si libera è pertanto surriscaldato. I valori p c e T 1 individuano lo stato (1) del vapore (sul diagramma H-s) e lo stato (8) della soluzione ricca satura corrispondente (sul diagramma H-c). 1 2) desurriscaldamento e condensazione del vapor d acqua all interno del condensatore; 2 3) laminazione del vapore dalla pressione p c alla pressione p v (H 3 =H 2 ); 3 4) vaporizzazione del vapor d acqua. 45/60

46 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Lo stato della miscela povera (concentrazione c p ) all uscita dell assorbitore è individuato dai valori di pressione p v e della temperatura T 5 e, per le ipotesi fatte, il liquido è saturo. La soluzione povera viene portata dalla pompa alla pressione p c per essere inviata al generatore. Per ipotesi si trascura l apporto energetico fornito dalla pompa e pertanto H 5 = H 6. 46/60

47 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Prima di raggiungere il generatore, lo scambiatore di recupero scalda la soluzione povera (6) fino a raggiungere lo stato (7), solitamente di liquido sottoraffreddato. Lo stato (7) verrà in seguito determinato. La soluzione ricca (8), che scende dal generatore con temperatura T 1, viene raffreddata nello scambiatore di recupero fino a raggiungere la temperatura T 9, superiore di un certo ΔT s alla temperatura T 5 di entrate della soluzione povera. 47/60

48 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr La soluzione ricca (9) subisce quindi una riduzione di pressione che la porta dalla pressione p c alla pressione p v. La soluzione ricca (10) può risultare sottoraffreddata o satura a seconda che la T 9 sia inferiore o uguale alla temperatura di saturazione corrispondente ai valori assegnati di p v e c p. Sul diagramma si è supposto che la soluzione sia satura. 48/60

49 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Consideriamo la portata unitaria di vapore (1) che lascia il generatore e arriva al vaporizzatore e a questa riferiamo la portata g di soluzione ricca (8) che dal generatore si porta all assorbitore. A regime la portata di soluto che entra in uno dei due apparati deve essere uguale a quella che ne esce. oppure c 1 G 1 + c 8 G 8 = c 7 G 7 c 4 G 4 + c 10 G 10 = c 5 G c r g = c p 1 + g g = c p c r c p 49/60

50 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Allo stesso risultato si perviene utilizzando il diagramma H-c. Ipotizzando di rimescolare il vapore (1) e la soluzione ricca (8) uscenti dal generatore, si ricaverebbe una miscela (A) a concentrazione c p. Mescolando il vapore (4) e la soluzione ricca (10) entranti nell assorbitore, si ricaverebbe una miscela (B) a concentrazione c p. 1 g = A 8 A 1 = c r c p c p 1 g = B 10 B 4 = c r c p c p 50/60

51 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Valutiamo ora le quantità di calore che interessano i vari scambiatori, riferite alla portata unitaria di vapore frigorifero. 1) Condensatore: q c = H 1 H 2 ; 2) Evaporatore: q v = H 4 H 3 ; 3) Assorbitore: q a = H B H g = H B H 5 c r c r c p = H 4 H R ; avendo indicato (R) l intersezione di 59 con l asse delle ordinate e avendo considerato i triangoli simili 59B e R94 51/60

52 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr 4) Scambiatore di recupero: Da cui: H 7 H g = H 8 H 9 g H 7 H 6 = H 8 H 9 g 1 + g = H 8 H 9 c p c r Il che significa che (7) è allineato con (8) e con (R). Indicando con (T) l intersezione di 79 con l asse delle ordinate e considerando i triangoli simili 978 e R7T, si trova: q s = H 8 H 9 g = H 8 H 9 c p c r c p = H T H R 7 52/60

53 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr 5) Generatore: q g = H A H g = H A H 7 c r c r c p = H 1 H R Avendo considerato i triangoli simili 78A e R81 53/60

54 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Avendo trascurato l apporto energetico della pompa, il bilancio finale di energia vale: q g + q v = q a + q c Il coefficiente di effetto utile o E.E.R. (Energy Efficiency Ratio) dell impianto vale: ε = q v q g 54/60

55 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Diagramma H-c Condensatore + generatore: T c = 37 C p c = 67 mbar con T max generatore = 90 C c r = 0,63 T c = 45 C p c = 96 mbar ( 75 mm Hg) con T max generatore = 90 C c r = 0,59 T c = 37 C p c = 67 mbar con T max generatore = 80 C c r = 0,58 T c = 45 C p c = 96 mbar con T max generatore = 80 C c r = 0,54 Evaporatore + assorbitore: T v = 4 C p v = 8 mbar T min assorbitore = 30 C c p = 0,53 T v = 4 C p v = 8 mbar con T min assorbitore = 40 C c p = 0,58 È bene evidenziare la presenza della curva di solidificazione: il deposito di cristalli di bromuro di litio è assolutamente da evitare. 90 C Acqua T [ C] p sat [kpa] 0,01 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,55 55/60

56 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr Modello commerciale (fornitura) [dato aggiornato al 2013] E.E.R. = 17,6/25,1 = 0,70 56/60

57 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr 57/60

58 Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H LiBr 58/60

59 No Componente Descrizione 1 Generatore Porta all ebollizione la soluzione diluita di BrLi producendo vapore refrigerante 2 Condensatore Condensa il vapore refrigerante producendo liquido refrigerante CTI CB 19 3 Recipiente di raccolta del liquido refrigerante (RST) Accumula il liquido refrigerante per garantire la migliore concentrazione della soluzione di BrLi INLET COND 22 2 OUTLET COND 4 Valvola di scarico liquido refrigerante (RBV) 5 Evaporatore (EVA) 6 Assorbitore (ABS) 7 8 Valvola di by-pass della soluzione (SV9) Valvola solenoide di protezione antigelo (SV1) 9 Scambiatore (HE) Scarica il refrigerante accumulato nel recipiente di raccolta: a) alla disattivazione della macchina; b) allorché la temperatura rilevata da LT è a 3 C o inferiore; c) allorché la temperatura dell acqua di raffreddamento in ingresso è a 20 C o inferiore Il calore di evaporazione del refrigerante è estratto dall acqua da refrigerare che fluisce nella serpentina dell EVA Il vapore refrigerante sviluppatosi nel EVA è assorbito dalla soluzione concentrata di BrLi. Il calore prodotto nel processo di assorbimento è trasferito dall acqua di raffreddamento che circola all interno della serpentina dell ABS Qualora le temperature dell EVA o dell acqua di raffreddamento scendano sotto determinati valori la valvola SV9 si apre per ridurre la portata do soluzione all ABS Qualora le temperature dell EVA o dell acqua di raffreddamento scendano sotto determinati valori, la valvola SV9 si apre per ridurre la portata di soluzione all ABS Permette lo scambio termico dalla soluzione concentrata calda alla soluzione diluita fredda EXTRACTION INLET GENER INLET FREDDO TIT INLET ASSORB 13 HWT R LT FFSL SP R WTO 21 OUTLET GENER OUTLET FREDDO OUTLET ASSORB 10 Pompa di soluzione diluita (SO) Spinge la soluzione diluita dall assorbitore (ABS) al generatore (GE) 11 Assorbitore ausiliario Interviene in aiuto ad ABS 12 Separatore gas incondensabili I gas raccolti nell assorbitore ausiliario vengono separati dalla soluzione diluita e trasferiti nel recipiente di raccolta gas (GT) 59/60

60 No Componente Descrizione Separatore gas incondensabili Recipiente gas incondensabili (GT) Valvola di servizio gas incondensabili (A) I gas raccolti nell assorbitore ausiliario vengono separati dalla soluzione diluita e trasferiti nel recipiente di raccolta gas (GT) Trattiene i gas incondensabili Valvola per la rimozione dei gas incondensabili dal recipiente GT INLET COND CTI 22 2 CB 19 OUTLET COND 15 Valvola di servizio per gas incondensabili (B) Valvola per la rimozione dei gas incondensabili nell area ABS/EVA EXTRACTION Filtro 19 Valvola di prelievo soluzione diluita Valvola di prelievo soluzione concentrata Centralina si controllo (CB) 20 Flussostato (FFSL) Valvola di accesso al circuito della soluzione diluita Valvola di accesso al circuito della soluzione concentrata La soluzione proveniente dall assorbitore viene filtrata prima di entrare nella pompa Gestisce tutte le operazioni di comando ed interfaccia con i controlli esterni Arresta l operatività dell unità se la portata dell acqua refrigerata scende al di sotto dell 80% di quella nominale INLET GENER INLET FREDDO 25 TIT HWT R LT FFSL R WTO 21 OUTLET GENER OUTLET FREDDO Sonda di rilevazione temperatura (WTO) Sonda di rilevazione temperatura (CTI) Controlla la temperatura di uscita dell acqua di raffreddamento Monitorizza la temperatura dell acqua di raffreddamento INLET ASSORB 6 SP 7 17 OUTLET ASSORB 23 Sonda di rilevazione temperatura (LT) Agisce sull operatività dell unità controllando la temperatura dell evaporatore Sonda di rilevazione temperatura (HWT) Monitorizza la temperatura di ingresso dell acqua calda di alimentazione 25 Sonda di rilevazione temperatura (TIT) Controlla la temperatura in ingresso all assorbitore 26 Pompa di ricircolo Pompa di ricircolo all evaporatore 60/60

61 Corso di Impianti Meccanici Laurea Triennale Modulo 9 Impianti frigoriferi ad assorbimento Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Dott. Ing. Marco Pellegrini Dott. Ing. Michele Gambuti Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna