MACCHINA FRIGORIFERA AD ASSORBIMENTO: STUDIO DI UNA SOLUZIONE ENERGETICA ALTERNATIVA

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1 F. Bisgna, A. Vallati 43 MACCHINA FRIGORIFERA AD ASSORBIMENTO: STUDIO DI UNA SOLUZIONE ENERGETICA ALTERNATIVA F. Bisgna, A. Vallati Dipartimnto di Fisia Tnia Univrsità La Sapinza, Roma SOMMARIO In usto lavoro si è studiato il omportamnto trmodinamio di una mahina frigorifra ad assorbimnto adibita al ondizionamnto di un uffiio. L impostazion dl problma vin fatta fando intragir dinamiamnt du programmi di simulazion ralizzati in ambint Basi, l uno pr il alolo di arihi trmii ambint (IENUS, Intgratd ENrgy Us Simulation), l altro pr lo studio trmodinamio dlla mahina. Si è valutato uindi, on rifrimnto ad una mahina frigorifra ad assorbimnto onvnzional, oprant on la soluzion Aua-Bromuro di Litio, la tmpratura di alimntazion dl gnrator, il COP d il rndimnto xrgtio dlla mahina al variar dlla uantità di alor fornita all vaporator, funzion ovviamnt di arihi intrni d strni orari. Si è inoltr ffttuato un onfronto fra l tmpratur al gnrator riavat dal alolo ull disponibili utilizzando pannlli solari a bassa tmpratura, valutando la possibilità di insrir tali lmnti in un ipottio shma impiantistio ad intgrazion parzial o total dlla font onvnzional di alor. L ida di tal studio è nata in funzion dll problmatih mrs in usti ultimi anni rlativ allo sfruttamnto di nrgi altrnativ pr il ondizionamnto di ambinti non rsidnziali, d in funzion dgli inntivi proposti dal Ministro dll Ambint pr tali attività. 1. INTRODUZIONE Dopo ira 200 anni di studi, prov d appliazioni, la tnologia dll mahin ad assorbimnto (la ui prima apparizion risal al 1777) può ormai onsidrarsi matura. Dalla sua nasita, molt sono stat l propost pr rndrla protagonista sul mrato, ma in raltà la sua diffusion è limitata, in partiolar nll appliazioni riguardanti il sttor trziario. Dalla prima tipologia di mahina, nata pr la produzion dl ghiaio, ad oggi, si sono inontrati suprati innumrvoli ostaoli d inonvninti tnii, si è ora pronti ad una rivalutazion riabilitazion di sistmi ad assorbimnto. Sopo di usto studio è la valutazion dl omportamnto di una mahina ad assorbimnto pr il ondizionamnto dll aria di ambinti adibiti ad uso uffiio di un palazzo orintato sondo l ass Est Ovst, pr tr ittà italian arattrizzat da diffrnti ondizioni limatih, in priodo stivo. Mntr è infatti possibil trovar in bibliografia studi sullo stato dll art, su propost innovativ su analisi numrih pr sistmi ad assorbimnto più mno omplssi, più arduo risulta trovar un onfronto, soprattutto in trmini xrgtii, dl omportamnto di una mahina pr uno stsso ambint, al variar dlla latitudin, attravrso l uso di dati mtorologii orari forniti om TMY (Typial Mtorologial Yar, Mazzarlla, 1997). 2. IL MODELLO DI CALCOLO Esistono attualmnt divrsi modlli di alolo, più o mno omplssi, di simulazion nrgtia pr la valutazion di arihi trmii; si è slto di utilizzar un modllo non ommrial, IENUS (Guglirmtti Grossi, 2000), arattrizzato da un lvato grado di intgrazion trmioilluminotnia, in modo da ottnr una satta valutazion di arihi trmii ambint. Tal mtodo di alolo, basato sul mtodo dll funzioni di trasfrimnto, onsnt di valutar i arihi trmii tnndo onto da una part dll ondizioni limatih strn utilizzando gli 87 dati orari forniti om TMY pr iasuna dll grandzz mtorologih utilizzat da IENUS, in partiolar tmpratura, irraggiamnto solar dirtto diffuso, umidità rlativa, disponibili pr divrs loalità italian, dall altra i arihi intrni dovuti a prson, illuminazion, mahinari, attravrso l intgrazion di un orpo prinipal di analisi trmia da moduli sondari di valutazion dgli

2 44 56 Congrsso Nazional ATI asptti illuminotnii. In partiolar, tali moduli onsntono di simular un possibil sistma di rgolazion h gstisa il omportamnto di tndaggi lu artifiial in modo da garantir smpr un livllo prfissato di illuminamnto sul piano di lavoro, utilizzando la lu natural, uando nssario, la lu artifiial. A tal modllo di alolo, si è aggiunto un modulo pr la valutazion di arihi igromtrii in ambint, opportunamnt onpito pr l intgrazion on il orpo prinipal prsistnt di IENUS; sso onsnt una valutazion di trattamnti di dumidifiazion, raffrddamnto post-risaldamnto pr l analisi di ondizioni stiv, di pr-risaldamnto, umidifiazion post-risaldamnto pr ondizioni invrnali, dll aria strna. Noti i arihi trmii d igromtrii, un sondo modllo di alolo ha onsntito la valutazion dll prstazioni dlla mahina ad assorbimnto. L'analisi trmodinamia in tmpo finito (Curzon Ahlborn, 19), (Bjan, 1988) è stata appliata rntmnt anh ai sistmi ad assorbimnto (Wijysundra, 1995), snza onsidrar, prò, i lgami h l proprità trmodinamih dl fluido di lavoro impongono all tmpratur dll sorgnti di alor on ui la mahina intragis (Flli Galli, 1983). Quindi, onsidrando l tr tmpratur dll sorgnti on l uali una mahina ad assorbimnto sambia alor om variabili indipndnti, si ottin h i mtodi di analisi trmodinamia in tmpo finito fornisono gli stssi ritri di funzionamnto ottimal dll normali mahin trmih (Curzon Ahlborn, 19), (Wijysundra, 1995), (Chn Sun, 1995). Si è onsidrata una mahina frigorifra ad assorbimnto nlla ual si mantngono fissi il fluido di lavoro, la struttura l dimnsioni dlla mahina, l tmpratur dll sorgnti h sambiano alor on il gnrator, il ondnsator l'assorbitor si è fatto variar la uantità di alor all vaporator in funzion di arihi trmii orari. L uantità di alor sambiat ni vari omponnti sono dat dall sgunti rlazioni (Flli Cotana, 1991): g = r = r ( T ) + ( T T ) rl ( T ) + ( T T ) rv gu a = r( Tau ) + d + ( 1 ε s ) ( F 1) s ( X g ) ( Tgu Tau ) rv ( Tau T ) ( T ) + + F ( X ) ( T T ) + ( F 1) ( X ) ( T T ) ( F 1) ( X ) ( T T ) = r ε gi d s a gi au s g gu gi s g s gu au dov: = alor spifio (kj/kg K) F= portata di soluzion pr unità di massa di rfrigrant in irolo = uantità di alor pr unità di massa (kj/kg) d = alor diffrnzial di soluzion (kj/kg) r= alor di trasformazion (kj/kg) T= tmpratura ( C, K) X= onntrazion in massa (%) = ffiinza dgli sambiatori di alor pdii: a= assorbitor = ondnsator = vaporator g= gnrator i= ingrsso l=liuido r= rfrigrant s= soluzion u= usita v= vapor

3 F. Bisgna, A. Vallati 45 La potnza trmia sambiata nll vaporator sarà data da: Q = ε G T dov: = ffiinza sambiator vaporator G = portata vaporator (kg/s) Q = potnza trmia vaporator (kw) on: T = T o T i Quindi la uantità di vapor prodotto nl gnrator nll unità di tmpo è: dov: m v Q 1 = = ε C T m v = portata di vapor prodotto nl gnrator pr unità di tmpo L potnz trmih sambiat ngli altri omponnti dlla mahina sono dat da: g Qg = ε g Cg Tg = mv g = ε C T Q Q = ε C T = mv = ε a a = ε a Ca Ta = mv a = ε C T C T Com si vd dall (8) - (10), tutt l diffrnz tra l tmpratur di ingrsso dl fluido di lavoro ngli sambiatori l tmpratur di fluidi intrmdiari sono funzioni dlla sola T, s l portat l ffiinz sono assgnat, s è possibil assumr h i rapporti /, g / a / dipndono poo dall tmpratur. La tmpratura al gnrator T g è funzion dll tmpratur dl fluido di lavoro nl ondnsator, assorbitor vaporator, dtrminabil univoamnt uando siano noti il diagramma P-T-X o la orrispondnt uazion di stato dlla soluzion. Quindi una volta assgnat la tmpratura di ingrsso di fluidi intrmdiari, all vaporator T al ondnsator assorbitor, la T g è funzion di uno solo di salti trmii, ad smpio? T osì om Q g. E' possibil prtanto valutar l andamnto dlla T g il valor dl C.O.P. il rndimnto xrgtio dlla mahina frigorifra ad assorbimnto in funzion dll variabili di prosso al variar dl ario trmio orario. 3. IPOTESI DI CALCOLO L difiio prso in sam è arattrizzato da uattro piani, iasuno di uali prsnta un orridoio ntral su ui si affaiano stanz, adibit ad uso uffiio, di dimnsioni 7 m x 5 m x 3 m, on una part strna di 5 m x 3 m on una sola finstra 3 m x 2 m non ombrggiata da ostaoli strni posta al ntro dlla part stssa orintata vrso Sud, ovvro vrso Nord. Il volum omplssivamnt limatizzato è di 4200 m 3. La part strna è da onsidrarsi di normal tipologia, ssndo ralizzata on intonao, mattoni, intrapdin on 2 m di isolant forati intrni, mntr l suprfii vtrat sono di doppi vtri mm on rivstimnto bassomissivo posto in faia du (in un doppio vtro, l fa dll suprfii trasparnti si ontano partndo smpr da ulla strna; la faia du è prtanto la suprfii intrna dl vtro strno, a ontatto on l intrapdin d aria) in modo da assumr omportamnto di tipo solar filtr, ioè on omportamnto riflttnt nl viino

4 46 56 Congrsso Nazional ATI infrarosso. Un vtro di usto tipo è arattrizzato da una trasmittanza trmia di 1,80 W/m 2 K, trasmittanza normal solar visual misfria rispttivamnt di , sondo i dati ottnuti dal modulo WINDOW 4.1 (Arasth, (1994)) sulla bas dll proprità angolari dlla singola lastra di matrial trasparnt. La trasmittanza trmia dll parti risulta inv ssr pari a 0.8 W/m 2 K; il singolo ambint prsnta una massa omplssiva di 200 kg/m 2 di pavimnto. L ambint è adibito ad uso uffiio funzionant dall or 8 all or 20 pr tutto il priodo onsidrato stivo nlla fasia limatia di volta in volta onsidrata, in partiolar pr Roma pr Mssina da giugno a sttmbr, pr Bolzano solo luglio d agosto. Nllo stsso intrvallo di tmpo si sono onsidrat smpr prsnti l tr prson, il ui apporto in trmini di ario snsibil è stato posto pari a W pr prsona (% onvttivo % radiativo), mntr ullo latnt 40 W pr prsona, smpr funzionanti l mahin di un normal uffiio tipo, on apporti di alor solamnt snsibil, pari a 800 W. L impianto di ondizionamnto, dl tipo ad aria primaria vntilonvttori, tipologia normalmnt utilizzata pr ambinti dl trziario, si onsidra funzionant dall or 6 all or 21, in modo da garantir un opportuno pr-raffrsamnto dll ambint di lavoro, ui si dv garantir un rto standard di bnssr. In partiolar, si è prvista una tmpratura di mandata dll aua ai vntilonvttori di 7 C d un salto trmio di 5 C. Si sono prvist dll tnd on offiint di shrmo pari a 0.4 on diffrnti arattristih di omportamnto risptto alla prntual di lu trasmssa dall strno vrso l intrno, h hanno il ompito di protggr l ambint dall vntual radiazion solar dirtta impdndo h si vrifihino ondizioni di abbagliamnto, ridundo praltro i arihi trmii. In usto modo si vin prò a ridurr l apporto di lu natural, fatto h può provoar un abbassamnto dl valor di illuminamnto sul piano di lavoro, h dv ssr mantnuto almno pari a 0 lux (UNI 10380); uando nssario, l apporto di lu natural vin intgrato on l intrvnto di un sistma di ontrollo dlla lu artifiial, h intrvin ualora non si raggiunga il suddtto valor di 0 lux; l impianto d illuminazion è ostituito da 0 W ottnuti on lampad fluorsnti on apparhi a soffitto non inassati. Si è onsidrata una mahina frigorifra monostadio ad Aua-Bromuro di Litio si è supposto h in ogni omponnt il fluido intrmdiario sia aua on portat pari a 7 Kg/s; la portata di riirolo tra gnrator assorbitor sia di 1.8 Kg/s; l ffiinz dgli sambiatori sono stat tutt post pari a 0.7; l'aua raffrdda in paralllo il ondnsator 1'assorbitor, la tmpratura ambint T O è stata posta pari a K. Pr l proprità trmodinamih dlla soluzion si è fatto rifrimnto ai dati di M Nly (M Nly, 1979). In Figura 1 vin illustrato lo shma a blohi dlla mahina frigorifra ad assorbimnto studiata. Fig. 1 - Shma a blohi dlla mahina frigorifra ad assorbimnto studiata

5 F. Bisgna, A. Vallati ANALISI DEI RISULTATI Si è valutato l andamnto dll tmpratur al gnrator pr l tr ittà propost, in funzion di dati orari rlativi al priodo stivo. Nll figur 2-7, si è prsntato l andamnto dll tmpratur al gnrator (TGO) il C.O.P. pr l tr divrs ittà studiat nl ms di luglio, onsidrato più rapprsntativo pr l andamnto di arihi trmii ottnuti attravrso la simulazion IENUS. ROMA TGO ( C) Fig. 2 - Andamnto dlla Tmpratura al gnrator nl ms di luglio pr la ittà di Roma 0.8 ROMA COP Fig. 3 - Andamnto dl C.O.P. nl ms di luglio pr la ittà di Roma

6 48 56 Congrsso Nazional ATI 80 MESSINA TGO Fig. 4 - Andamnto dlla Tmpratura al gnrator nl ms di luglio pr la ittà di Mssina MESSINA COP Fig. 5 - Andamnto dl C.O.P. nl ms di luglio pr la ittà di Mssina

7 F. Bisgna, A. Vallati 49 BOLZANO TGO Fig. 6 - Andamnto dlla Tmpratura al gnrator nl ms di luglio pr la ittà di Bolzano BOLZANO C.O.P Fig. 7 - Andamnto dl C.O.P. nl ms di luglio pr la ittà di Bolzano Si è dtrminato uanto la TGO si disosta dal valor di rifrimnto di T= C proprio di pannlli solari a bassa tmpratura pr valutar la possibilità di intgrazion di tali lmnti nllo shma impiantistio di bas tramit l indi di oprtura dtrminato om rapporto tra il numro di or in ui la TGO supra la tmpratura ottnuta mdiamnt tramit pannlli solari il numro di or omplssiv di funzionamnto dll impianto all tr divrs latitudini. Pr la ittà di Roma si è dtrminato l indi di oprtura h risulta ssr pari al % dll or omplssiv, pr la ittà di Bolzano pari al 44%, mntr pr la ittà di Mssina pari al 72%. In funzion di risultati ottnuti si è pnsato di far variar i paramtri di progtto pr vrifiar la variazion dlla TGO. Pr smpliità di alolo si sono prsi in onsidrazion tr giorni tipo dl ms di Luglio, in partiolar i giorni dal 20 al 22, pr la ittà di Roma h risulta ssr un aso intrmdio tra gli strmi di Bolzano Mssina.

8 56 Congrsso Nazional ATI La Figura 8 dsriv l andamnto dlla TGO al variar dlla tmpratura dl fluido strno di raffrddamnto dl ondnsator assorbitor. L tr ipotsi onsidrat sono rlativ ai sgunti asi: la tmpratura di 27 C è tipia di un sistma di raffrddamnto on aua di torr vaporativi, la tmpratura di 30 C è smplifiativa di raffrddamnto ad aria dumidifiata adiabatiamnt all ingrsso di du sambiatori, mntr 35 C rapprsnta il aso di raffrddamnto ad aria TGO ( C) 30 C 35 C 27 C 45 20/7/ /7/ /7/ /7/ /7/ /7/ /7/ Fig. 8 - Andamnto dlla TGO al variar dlla tmpratura dl fluido di raffrddamnto Si è pnsato uindi di far variar l ffiinza dgli sambiatori dl ondnsator d assorbitor, lmnti ritii nl ilo ad assorbimnto ai fini di ottimizzar la tmpratura al gnrator (TGO) pr l utilizzo di ollttori solari. L ffiinza di du sambiatori si è variata tra pr valutar l ffttiva possibilità di utilizzar l aria om fluido di raffrddamnto (Fig.-9). TGO( C) ffiinza=0.85 ffiinza= /7/ /7/ /7/ /7/ /7/ /7/ /7/ Fig.9 - Andamnto dlla TGO al variar dll ffiinza dgli sambiatori al ondnsator assorbitor. E vidnt dalla Figura 9 h l ffiinza dgli sambiatori è lmnto fondamntal pr valutar la possibilità di utilizzo di fonti nrgtih altrnativ.

9 F. Bisgna, A. Vallati 51 Pr onludr, si è posta attnzion sull portat di fluidi intrni d strni. Si sono variat l portat dl fluido all assorbitor, al ondnsator, all vaporator al gnrator dal valor di 8l/s al valor di 4l/s mntr la portata di riirolo dal valor di 1.8 l/s al valor di 1 l/s (Figura10). E vidnt uanto la slta ottimal dlla mahina influisa sulla funzionalità dll impianto studiato. 80 mahina_studiata portata_riirolo portata_ondnsator portata_assorbitor portata_gnrator portata_vaporator TGO( C) 20/7/ /7/ /7/ /7/ /7/ /7/ /7/ Fig Andamnto dlla TGO al variar dlla portata di fluidi strni d intrni. 4. CONCLUSIONI In usto lavoro si è analizzato il funzionamnto di una mahina frigorifra ad assorbimnto pr il ondizionamnto di ambinti non rsidnziali, attravrso l uso di 87 dati mtorologii orari pr divrs ittà italian post a divrs latitudini. Fissata la tipologia dll difiio si sono fatt variar l arattristih dlla mahina studiando osì l andamnto dlla tmpratura di alimntazion dl gnrator pr valutar la possibilità di utilizzo di una font nrgtia altrnativa ual ulla solar. In futuro si è prvisto un approfondimnto di tal analisi simulando anh i pannlli solari valutando nrgtiamnt d xrgtiamnt la possibilità di intgrar tal shma impiantistio on dll fonti di nrgia onvnzional utilizzar ili frigorifri ad assorbimnto divrsi, pr smpio utilizzando un ilo on doppio vaporator. 5. BIBLIOGRAFIA D. Arasth. WINDOW 4.1, LBL 35298, Lawrn Brkly Laboratory, Brkly, CA Bjan A.: Advand Enginring Thrmodynamis, (1988), Wily, Nw York K. Chung, Y. Hwang, J. F. Judg, K. Kolos, A. Singh and R. Radrmahr. Prforman assssmnt of multistag absorption yl. Intrnational Journal of Rfrigration.: 19, 7, Grat Britain: d. Elsvir Sin Ltd. And IIR, Chn W.Z., Sun F.R., Chng S.M., Chn L.G. Study on optimal prforman and working tmpraturs of ndorvrsibl forward and rvrs Carnot yls. Int. J. En. Rs. (1995) Curzon F.L., Ahlborn B. (19): Effiiny of a Carnot ngin at maximum powr output, Am. J. Phys. 43, p. 22 A. Fantini. Impianti di limatizzazion on mahin ad assorbimnto: progttazion, ralizzazion, gstion. Condizionamnto Dll Aria (CDA). 35, 6, Flli M., Galli G. Th dgrs of frdom of absorption systms. 16th Intrnational Congrss of Rfrigration. Paris (1983) Flli M., Cotana. Dsign and Prformans of a Two Stags Hat Transformr. 18 th Int. Congrss of Rfrigration. Montral 1991

10 52 56 Congrsso Nazional ATI F. Guglirmtti, L. Grossi. Prstazioni nrgtih dll suprfii trasparnti innovativ in difii ad uso non abitativo. Pro. of 41 Cong. AICARR, Marh, Milano, Italy, Z. F. Li, K. Sumathy. Thnology dvlopmnt in th solar absorption air-onditioning systms. Rnwabl & Sustainabl Enrgy Rviws. 4, L. Mazzarlla. Dati limatii G. D Giorgio. Pro. of Giornata di Studio Giovanni D Giorgio, Politnio di Milano, 18 Nov., Milano 1997 M Nly L.A. Thrmodynami proprtis of auous solutions of Lithium Bromid. Ashra Trans. 85 (1979) L. F. Mnds, M. Collars-Prira, F. Ziglr. Supply of ooling and hating with solar assistd absorption hat pumps: an nrgti approah. Intrnational Journal of Rfrigration.: 21, 2, Grat Britain: d. Elsvir Sin Ltd. And IIR, F. Summrr. Evaluation of absorption yls with rspt to COP and onomis. Intrnational Journal of Rfrigration.: 19, 1, Grat Britain: d. Elsvir Sin Ltd. And IIR, P. J. Wilbur, T. R. Manini. A omparison of solar absorption air onditioning systms. Solar Enrgy. 18, Grat Britain: Prgamon Prss, Wijysundra N.E. (1995): Anlysis of th idal absorption yl with xtrnalhat transfr irrvrsibilitis, Enrgy