I generatori di freddo. come trasformare l energia elettrica in calore, ma non

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1 I generatori di freddo come trasformare l energia elettrica in calore, ma non solo

2 La teoria: secondo principio della termodinamica Non esiste una macchina operante in modo ciclico il cui unico effetto sia lo scambio termico con sorgente a bassa temperatura verso una sorgente a temperatura più elevata T 1 q 1 T 1 q 1 M Lavoro M T 1 > T 2 q 2 q 2 T 2 T 2

3 Importante Lo scambio termico avviene spontaneamente da sistemi a temperatura più alta verso sistemi a temperatura più bassa. Esempi Fluido a θ = 40 C cede calore all aria ambiente a 20 C che si riscalda Fluido a θ = -5 C riceve calore dall aria ambiente a 20 C che si raffredda Fluido a θ = -10 C cede calore a un fluido a θ = -20 C che tende a scaldarsi Evaporatore: scambiatore di calore con fluido in evaporazione Condensatore: scambiatore di calore con fluido in condensazione

4 L indice di prestazione Il COP (Coefficient of Performance) è il rapporto tra l effetto frigorifero (potenza scambiata dall evaporatore, q ev ) e la potenza meccanica scambiata dal compressore P c. Un indice analogo è l EER (Energy Efficiency Ratio). In questo caso il rapporto tra le diverse grandezze è espresso in unità coerenti (es. W/ W)

5 Il compressore (A) comprime il fluido refrigerante a circa 20bar (che è una pressione dieci volte superiore a quella dei pneumatici delle automobili) e gli fa raggiungere la temperatura di circa 80 C. A questa temperatura il gas arriva al condensatore esterno (B) e cede parte del suo calore all aria aiutato dal ventilatore. Il gas, quindi, si raffredda e diventa liquido e viene costretto a passare attraverso un piccolo foro (C). Attraversato questo foro il liquido ritorna in parte allo stato gassoso e si raffredda scendendo a circa 5 C. Il gas passa poi all evaporatore (D) posto all interno dell ambiente e aiutato dal suo ventilatore cede il freddo all aria. A questo punto il gas tornerà al compressore pronto a iniziare un nuovo ciclo.

6 Un po di storia 1887 la ghiacciaia è sostituita dai frigoriferi Utilizzavano SO 2 (tossico) e cloruro di metile (infiammabile) Problemi: la regolazione il motore elettrico per movimentare il compressore Nel 1932 T. Midgeley brevetta i freon Nel 1944 in quasi il 75% delle case USA c era il frigorifero

7 I fluidi: i FREON CFC causano la distruzione dello strato di O 3 bando dal 2003 La loro produzione sarà completamente eliminata dal 2010 HCFC la loro produzione come refrigeranti sarà bandita dal 2030 (2040 nei paesi in via di sviluppo) HFC causano effetto serra, ma la loro produzione non è regolata dal protocollo di Montreal (16 Sept. 1987)

8 Ozone Depletion Potential Rappresenta la potenzialità distruttiva sull ozono stratosferico calcolata, su base di eguale massa rilasciata nella bassa troposfera, rispetto al CFC-11 (CFCl 3 ) assunto come riferimento Greenhouse Warming Potential a 100 anni Consiste di una stima dell effetto serra dovuto all emissione di gas che contribuiscono a tale effetto durante il processo di produzione

9 Chemical Name CFC-11 (CCl 3 F) Trichlorofluorometh ane CFC-12 (CCl 2 F 2 ) Dichlorodifluoromet hane CFC-113 (C 2 F 3 Cl 3 ) 1,1,2- Trichlorotrifluoroeth ane CFC-114 (C 2 F 4 Cl 2 ) Dichlorotetrafluoroet hane CFC-115 (C 2 F 5 Cl) Monochloropentaflu oroethane Halon 1211 (CF 2 ClBr) Bromochlorodifluoro methane Halon 1301 (CF 3 Br) Bromotrifluorometha ne Halon 2402 (C 2 F 4 Br 2 ) Dibromotetrafluoroet hane Lifetime, in years ODP1 (WMO ) ODP2 (Montreal Protocol) ODP3 (40 CFR) Group I GWP1 (WMO 2002) GWP2 (SAR) GWP3 (TAR) GWP4 (40 CFR) CAS Number Group II <

10 UV A: 0,4 0,32 μm UV B: 0,32 0,29 μm UV C: 0,29 0,2 μm può raggiungere la superficie terrestre forte assorbimento nella stratosfera non raggiunge la superficie terrestre Formazione di O 3 nella stratosfera O 2 + hν 2 O λ < 0,2424 μm (UV) O + O 2 + M O 3 + M ( M = O 2 o N 2 ) O 3 è fotodissociato secondo la reazione: O 3 + hν O 2 + O( 1 D) λ < 0,310 μm

11 O( 1 D) è ossigeno molto reattivo. Ad esempio reagisce con: O( 1 D) + H 2 O 2 OH O( 1 D) + N 2 O 2 NO A loro volta OH ed NO attivano un ciclo catalitico di distruzione di O 3 secondo il meccanismo: NO + O 3 NO 2 + O 2 OH + O 3 HO 2 + O 2 NO 2 + O NO + O H 2 O + O OH + O 2 O 3 + O 2 O 2 O 3 + O 2 O 2 Anche la presenza di cloro atomico Cl induce l attivazione di un ciclo catalitico di distruzione dell ozono. I CFC sono dissociati da UV-C e viene prodotto Cl

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14 HFC 134a (Freon R134a) Refrigerante puro, cioè non ottenuto per miscela, pertanto si mantiene inalterato durante le fasi di condensazione ed evaporazione. Viene considerato un refrigerante di nuova generazione, perché ha influenza trascurabile rispetto all ozono e all effetto serra. HFC 407C (R407c) Miscela composta di R32, R125 e R134a. Presenta il problema, comune a molte miscele, di dar luogo all effetto glide, fenomeno che si verifica durante le fasi di condensazione ed evaporazione per cui le pressioni di lavoro rimangono invariate ma i componenti del fluido si separano. HFC 410A (R410a) Miscela composta di R32 e R125 con effetto glide quasi trascurabile. Sostituisce egregiamente l R22 negli impianti di climatizzazione perché ha maggiore resa frigorifera e consente di utilizzare componenti di minori dimensioni. Questo tuttavia è anche uno svantaggio perché impone di riprogettare gli impianti.

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16 Cicli frigoriferi

17 Il ciclo reale

18 La catena del freddo L'espressione catena del freddo indica il mantenimento dei prodotti surgelati ad una temperatura costante e comunque inferiore ai -18 C, dalla produzione alla vendita. La catena del freddo inizia dal produttore, passa attraverso la fase di stoccaggio, arriva nei magazzini di vendita e prosegue fino al cliente finale. Monitorare la catena del freddo è un'esigenza basilare per le aziende alimentari di prodotti freschi e surgelati. surgelazione (<-18 C): il prodotto surgelato è caratterizzato da piccolissimi cristalli che si formano all'interno del tessuto cellulare senza provocare alterazioni. refrigerazione (<+4 C): all'interno del prodotto si possono formare cristalli di ghiaccio di maggiori dimensioni che perforano le pareti cellulari provocandone la rottura.

19 Frigoriferi: il trasporto su container

20 Frigoriferi: il trasporto su treno

21 Frigoriferi: il trasporto su treno

22 Frigoriferi: il trasporto su autocarro

23 Frigoriferi: il trasporto aereo

24 Frigoriferi commerciali

27 Frigoriferi commerciali: schema di circuito

28 Frigoriferi domestici: tipologie

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30 frigoriferi

31 Total No Frost LG A+++ che garantisce il 60% di risparmio energetico rispetto alla classe A.

32 Frigoriferi domestici: il compressore

33 La pompa di calore utilizzo energia termica ad alta temperatura Le pompe di calore sono macchine termiche che operano trasferendo calore da una sorgente fredda ad una calda. Le macchine presenti sul mercato hanno comunemente campi di azione tra gli 0 ed i 120 gradi e possono quindi essere impiegate per il riscaldamento ambiente, per la produzione di acqua calda sanitaria e per i processi industriali che necessitino di calore a bassa temperatura.

34 Tipologia Acqua acqua: si riscalda acqua (condensatore) trasferendo energia termica da altra acqua (evaporatore) Aria acqua: si riscalda acqua (condensatore) attingendo calore da aria (evaporatore) Acqua aria: si riscalda aria (condensatore) attingendo calore da acqua (evaporatore) Aria aria: si riscalda aria (condensatore) trasferendo energia termica da altra aria (evaporatore) Al posto dell acqua può essere usata salamoia (brine) Possono funzionare come macchine frigorifere (reversibilità)

35 Le macchine, funzionanti secondo un ciclo inverso, possono essere fatte operare avendo come scopo primario la cessione di energia termica alla sorgente a temperatura più alta. In questo caso esse sono denominate pompe di calore e, dal momento che l effetto utile è la fornitura di calore alla sorgente ad elevata temperatura, il coefficiente di prestazione viene definito dalla relazione: Nel caso di macchina reversibile, si definisce per il funzionamento in raffrescamento il parametro: efficienza energetica (EER) come rapporto q 2 /P m

36 Pompe di calore ad acqua

37 Sistemi impiantistici: a terreno Caratteristiche Temperatura media del terreno (8-10 C) Pompa di calore (COP 3-4) Sonda a terreno (anche 100 m)

38 Effetti termoelettrici L effetto Peltier In un circuito chiuso formato da due materiali diversi A e B, se viene indotta la circolazione di corrente elettrica di intensità I, si ha, in corrispondenza delle due giunzioni, sviluppo ed assorbimento di calore di entità proporzionale all intensità della corrente ed alla tipologia di materiali.

39 Una comune cella Peltier è formata da due materiali semiconduttori drogati di tipo N e di tipo P, collegati tra loro da una lamella di rame. Se si applica al tipo N una tensione positiva e al tipo P una tensione negativa, la lamella superiore si raffredda mentre quella inferiore si riscalda. Invertendo la tensione lo spostamento di energia termica viene invertito. In commercio esistono celle Peltier isolate e celle Peltier non isolate: le prime sono rivestite sotto e sopra da materiale ceramico e garantiscono rendimenti maggiori delle seconde.

40 Un semiconduttore con eccesso di elettroni è detto semiconduttore di tipo N, mentre un semiconduttore con un eccesso di lacune è detto semiconduttore di tipo P. I droganti più comuni di tipo N per il silicio sono il fosforo e l arsenico. Da notare che entrambi questi elementi sono nel Gruppo V della tavola periodica, e il silicio è nel Gruppo IV. Quando il silicio è drogato con atomi di arsenico o di fosforo, gli atomi di questi droganti sostituiscono atomi di silicio nel reticolo cristallino del semiconduttore, ma poiché hanno un elettrone esterno in più del silicio, essi tendono a fornire questo elettrone alla banda di conduzione. Il drogante di tipo P di gran lunga più usato per il silicio è l'elemento del Gruppo III boro, il quale ha un elettrone esterno in meno del silicio e così tende a prendere un elettrone dalla banda di valenza, e quindi a creare una lacuna. Un drogaggio pesante del semiconduttore può aumentare la sua conduttività elettrica di un fattore di oltre un miliardo.

41 Passando dal materiale drogato p a quello drogato n attraverso la giunzione fredda, gli elettroni assorbono energia per superare il locale gradino di potenziale. Dato che l energia assorbita viene sottratta, sotto forma di calore sensibile, alla piastrina metallica che costituisce la giunzione, questa si raffredda. Al lato caldo succede il contrario, a causa del segno opposto del gradino di potenziale. Le prestazioni in refrigerazione di una coppia termoelettrica possono essere stimate valutando i diversi apporti energetici alla giunzione fredda. Questi sono principalmente causati da: a) effetto Peltier b) effetto Joule (dissipazione elettrica) c) effetto Fourier (conduzione termica)

42 Una cella di peltier è composta da più cellette, dalle 30 cellette in su. In commercio si trovano prevalentemente celle del tipo isolato, con la parete superiore ed inferiore in ceramica, che è un materiale isolante. le celle Peltier assorbono necessariamente un gran quantitativo di corrente elettrica. Una tipica cella di dimensioni mm da 25 W, può presentare una caduta di tensione ai suoi capi di8,5veassorbire2,1a.

43 Una coppia termoelettrica elementare è costituita da due prismi in materiale semiconduttore. Il materiale semiconduttore, tipicamente una soluzione solida di bismuto-antimonio-tellurio-selenio, presenta drogaggio di tipo p in uno dei due prismi, mentre nell altro presenta drogaggio di tipo n.

44 Anche per le celle di Peltier si è definito il rendimento energetico il cui il nome è COP altrimenti chiamato, coefficente di prestazione. Questo è il rapporto, in altre parole (Q/P), che rappresenta quanto lavoro ha fatto (= la quantità endotermica Q) di fronte alla energia elettrica gettante (p) che è data alla cella. Ma nel campo realistico di applicazione della cella di Peltier, molte volte il valore è molto piccolo, ad esempio in frigoriferi di piccoli dimensioni il valore è (generalmente) circa 0.2.

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46 I consumi Fonte, ENEA, 2003

47 da qualche tempo sui frigoriferi, congelatori e frigocongelatori è applicata una etichetta colorata con frecce e altri simboli, l etichetta energetica, la quale permette di conoscere caratteristiche e consumi dei frigoriferi, valutando fin dal momento dell acquisto il consumo annuo di ciascun modello.

48 Classe kwh/anno Costo per energia elettrica A++ < 188 < 34,00 A ,00 47,30 A ,30 61,90 B ,90 84,20 C ,20 101,30 D ,50 E ,50-123,80 F ,8 140,6 G > 781 > 140,6 Per un Frigo/congelatore da 300 litri. Costo 1 kwh = 0,18 Euro

49 Frigoriferi domestici: flussi termici Tipiche prestazioni (-18 C 32 C) termoelettrico 0,09 W /W assorbimento 0,44 W/W compressione 1,3 W/W

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51 L analisi energetica Documento di supporto tecnico (USA 1995)

52 Le indicazioni per un risparmio dei consumi prevedevano: - aumento delle prestazioni del compressore (EER = 5,45) - ventilatori per aumentare l efficienza dell evaporatore; - aumento dell efficienza dei motori elettrici del condensatore e dell evaporatore (assorbimento elettrico 4,4 W circa); - controllo dello sbrinamento; - miglioramento delle guarnizioni; - aumento delle superfici di scambio di condensatore e dell evaporatore Inoltre si prevede l aumento di 2,54 cm di spessore per l isolante o l uso di pannelli con strato sottovuoto

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54 Unità split

55 L unità split utilizza fluido frigorigeno

56 Gli scambiatori di calore: la funzione è di consentire lo scambio termico tra il fluido frigorigeno (interno) e l esterno (aria o acqua)

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58 Impianti ad espansione diretta Si tratta dei cosiddetti split che hanno avuto larga diffusione negli ultimi anni Raffred. Riscald.

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