Approfondimenti sul ciclo termodinamico adottato dagli assorbitori alimentati ad acqua calda Michele Colaiemma michele.colaiemma@maya-airconditioning.com L utilizzazione di acqua calda, a temperature relativamente basse, comprese fra i 70 e i 95 C, permette di ottenere mediante un opportuno processo termodinamico, denominato assorbimento, acqua refrigerata idonea all azionamento di impianti di climatizzazione ambientale (confort cooling). Acqua refrigerata agli stessi livelli termici può essere convenientemente impiegata anche in applicazioni industriali (process cooling). La tecnologia dell assorbimento adottata risulta particolarmente conveniente in tutti quei casi in cui sia disponibile calore a costo nullo o assai ridotto, atto all ottenimento di acqua calda alle temperature sopra indicate. Tale circostanza si verifica ad esempio: in impianti di cogenerazione o di teleriscaldamento, in processi industriali con cascami di calore, nelle sorgenti termali, in installazioni a collettori solari o a biomassa ed ovunque si disponga di un combustibile a basso costo. Nella presente monografia verranno presi in esame alcuni aspetti del processo termodinamico utilizzato. Verrà in un primo tempo richiamato il ciclo termodinamico adottato, indi forniti i valori di prestazione, ricavati sperimentalmente, per temperature di erogazione dell acqua refrigerata diverse da quella nominale pari a 7 C. Saranno quindi illustrate le motivazioni che hanno determinato i valori di prestazione sopra indicati.
Ciclo ad assorbimento a singolo effetto La figura 1) illustra il principio di funzionamento degli assorbitori considerati, in un ciclo a semplice effetto. Con riferimento alla stessa si avrà: Generatore L acqua calda di alimentazione riscalda, portandola all ebollizione, la soluzione diluita di acqua e bromuro di litio (di seguito LiBr) contenuta nel generatore. L ebollizione libera vapore acqueo (refrigerante) ed arricchisce la soluzione di LiBr. La soluzione concentrata viene raccolta e preraffreddata, passando attraverso uno 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 e smaltito attraverso la torre di evaporazione. 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 della serpentina del circuito dell acqua da refrigerare. Il vapore refrigerante ottenuto fluisce quindi nell assorbitore. Figura 1 - Ciclo ad assorbimento a singolo effetto
Assorbitore La bassa pressione nell assorbitore è dovuta all affinità chimica fra la soluzione concentrata di LiBr proveniente dal generatore ed il vapore di refrigerazione che si forma nell evaporatore. Il vapore refrigerante viene assorbito dalla soluzione concentrata di LiBr mentre quest ultima lambisce la superficie della serpentina dell assorbitore. Il calore di diluizione è rimosso dall acqua di raffreddamento. La soluzione diluita di LiBr è poi preriscaldata nello scambiatore di calore, prima di ritornare nel generatore. Campi di lavoro Cooling Capacity % 100 70 Lower limit setting Standard setting Upper limit setting 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Chilled water temperature outlet C Figura 2 - Campi di lavoro degli assorbitori considerati 18 La figura 2) riporta i campi di lavoro degli assorbitori considerati, in termini di temperature di mandata e di ritorno dell acqua refrigerata. Come si può rilevare dalla stessa, la temperatura limite inferiore di mandata è di 5,5 C e quella massima di ritorno è di 19,5 C. Il campo di lavoro nominale è quello con mandata a 6,5 C e ritorno a 10,5 C (standard setting). Va notato che il differenziale di temperatura fra mandata e ritorno, pari a 4 C, rimane costante per qualsiasi campo di lavoro adottato. Curve caratteristiche di refrigerazione Di seguito vengono riportate nelle figure 3), 4) e 5) le curve di refrigerazione dell assorbitore WFC SC 30, di potenza frigorifera nominale pari a 105 kw, per diverse temperature di mandata dell acqua refrigerata, in funzione di differenti temperature dell acqua di alimentazione e di quella di condensazione. Come si può rilevare dalle stesse, la potenza frigorifera erogata corrispondente cresce all aumentare dei valori di temperatura di erogazione fino a stabilizzarsi asintoticamente per i valori più elevati. Va precisato che le curve attinenti gli altri modelli della serie di assorbitori considerati risultano del tutto simili a quelle sopra illustrate. I corrispondenti valori dei coefficienti di prestazione, riportati nelle figure, mostrano similmente un andamento crescente con l incremento delle temperature di erogazione dell acqua refrigerata.
160 WFC SC 30 (temperatura di condensazione 24 C) Chilled Water Outlet Temperature Characteristic Cooling Capacity(kW) Potenza frigorifera kw 140 120 100 80 60 40 20 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Temperatura di mandata acqua refrigerata C 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 4 6 8 10 12 Chilled Temperatura water di mandata Outlet acqua Temperature(deg refrigerata C C) Temperatura acqua calda di alimentazione: 95 C 88 C 85 C 80 C 75 C Figura 3 - Curve caratteristiche di prestazione per temperature di condensazione (inlet) a 24 C
WFC SC 30 (temperatura di condensazione 29,5 C) Chilled Water Outlet Temperature Characteristic Potenza frigorifera kw Cooling Capacity(kW) 160 140 120 100 80 60 40 20 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Temperatura di mandata acqua refrigerata C 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Chilled Temperatura water di mandata Outlet acqua Temparature(deg refrigerata C C) Temperatura acqua calda di alimentazione: 95 C 88 C 85 C 80 C 75 C Figura 4 - Curve caratteristiche di prestazione per temperature di condensazione (inlet) a 29,5 C
WFC Chilled SC Water 30 (temperatura Outlet Tempere di condensazione Characteristic 31 C) 160 140 Cooling Capacity(kW) Potenza frigorifera kw 120 100 80 60 40 20 0 4 6 8 10 12 Temperatura di mandata acqua refrigerata C 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 4 6 8 10 12 Chilled Water Outlet Temperature (deg C) Temperatura di mandata acqua refrigerata C Temperatura acqua calda di alimentazione: 95 C 88 C 80 C 75 C 85 C Figura 5 - Curve caratteristiche di prestazione per temperature di condensazione (inlet) a 31 C
Coefficiente di prestazione/ L operatività delle apparecchiature considerate è determinata dall apporto di calore, dalle temperature di raffreddamento e di condensazione nell assorbitore e nel condensatore e dal carico frigorifero. Le prestazioni termodinamiche nominali di un assorbitore sono sintetizzate dal coefficiente di prestazione/, che è il rapporto tra la potenza frigorifera ricavata e quella termica utilizzata: = kw f kw t I parametri di progetto degli assorbitori analizzati sono i seguenti: - temperatura dell acqua di alimentazione (inlet) 88 C - temperatura dell acqua di condensazione (inlet) 31 C - temperatura dell acqua refrigerata (outlet) 7 C - portata circuiti idronici (riportata nelle schede tecniche dei singoli modelli). In condizioni di funzionamento a regime (steady state), ne risulta un pari a 0,7. I potenziali termodinamici considerati risultano i seguenti: Qg = entalpia al generatore Qc = entalpia al condensatore Qe = entalpia all evaporatore Qa = entalpia all assorbitore Accurati esami di laboratorio dimostrano che il subisce incrementi o decrementi marginali rispetto al valore nominale, sopra riportato, dovuti ad un interazione delle temperature variabili dell acqua di alimentazione (e quindi di Qg), dell acqua di raffreddamento e di condensazione ( e quindi di Qa e Qc) e dell acqua refrigerata (e quindi di Qe). Variazione della temperatura dell acqua di raffreddamento In breve, si ottiene un incremento marginale del allorchè Qg produce una quantità di vapore refrigerante Qc che condensa perfettamente nel condensatore ed il liquido refrigerante così prodotto, evapora interamente nell evaporatore. Questa circostanza, ideale (teorica), per la quale: entalpia Qc = entalpia Qe si verifica di norma alle più basse temperature di condensazione. A temperature di condensazione più elevate, Qg produce una maggiore quantità di vapore refrigerante e quindi di liquido refrigerante. In questo caso essendo; entalpia Qg > entalpia Qc si verifica, in una qual misura, un evaporazione rapida (flash evaporation) del liquido refrigerante nell evaporatore, con una conseguente flessione marginale del. La tabella seguente riporta alcuni valori di prestazione ottenuti sperimentalmente per l assorbitore WFC SC 30. In funzione di temperature diverse dell acqua di alimentazione e di condensazione vengono precisati i valori di potenza termica fornita alla macchina, quelle di potenza frigorifera erogata dalle stessa ed i valori di conseguenti.
Temp. acqua alimentazione (inlet) C * Temp. acqua condensazione (inlet) C Potenza termica di alimentazione kw Potenza frigorifera di erogazione kw 88 32 124,6 84,3 0,67 88 31 142,3 100,6 0,70 88 29,5 155,9 108,8 0,70 88 27 175,4 120,7 0,69 77 32 67,9 47,7 0,70 77 31 79,2 59,3 0,75 77 29,5 93,6 69,3 0,74 77 27 118 88,7 0,75 Note: * portata acqua di alimentazione adottata, 5,61 l/s, pari al 77% del valore nominale adottata portata nominale acqua di condensazione Variazione della temperatura dell acqua di alimentazione Un incremento della temperatura dell acqua calda di alimentazione, a parità di portata, tende a liberare una maggiore quantità di liquido refrigerante dalla soluzione di LiBr. Considerando invariata la temperatura dell acqua di raffreddamento, ne risulta una maggiore produzione di liquido refrigerante, dovuta al maggior valore di Qg. Ciò comporta, in alcune circostanze, l accentuazione di una evaporazione rapida (flash evaporation) del liquido refrigerante nell evaporatore. Sulle serpentine di scambio termico dell evaporatore si verifica, in aggiunta, un irrorazione eccedente quella di progetto, studiata per una completa efficiente evaporazione. Ne risulta una flessione marginale del totale. Per contro la riduzione della temperatura dell acqua di alimentazione, a parità degli altri parametri, può produrre un leggero incremento del ; ciò in quanto il vapore refrigerante prodotto genera una quantità di liquido refrigerante, che eguaglia più da vicino quella che può essere più propriamente evaporata. È importante sottolineare come il valore di Qg sia funzione sia della temperatura, sia della portata dell acqua di alimentazione. Una riduzione della portata, con contemporaneo incremento della temperatura, equivale in termini di somministrazione di calore ad un incremento di portata e ad una riduzione della temperatura. Variazione del carico frigorifero Allorchè si verifica un eccesso di liquido refrigerante od un accentuazione di evaporazione rapida (flash evaporation) nell evaporatore, un incremento del carico frigorifero (o una riduzione della temperatura dell acqua refrigerata) si tramuterà in una più elevata capacità frigorifera ed in un più alto valore di, giacché l effetto di entrambi i fattori sopra citati viene in una qual misura mitigato. Dalla più consistente disponibilità di liquido refrigerante ne deriva, pertanto, una maggiore efficienza. %
Concentrazione della soluzione di LiBr Un fattore di primaria importanza, non considerato finora, è costituito dalla concentrazione della soluzione di LiBr, connessa alla temperatura dell acqua di alimentazione ed alla sua portata ed alla temperatura dell acqua di raffreddamento. L interattività di questi valori influenza la tensione di vapore e la temperatura alle quali il liquido refrigerante deve evaporare nell evaporatore. La valvola di controllo proporzionale LTPV, in dotazione alla macchina, è deputata a trattenere parte del liquido refrigerante in circolazione in accumulo, allo scopo di elevare il livello di concentrazione della soluzione residua (una più elevata concentrazione si traduce in una minore pressione di vapore e quindi in una più elevata prestazione dell evaporatore). La valvola LTPV permette, per contro, anche di rilasciare il liquido refrigerante dall accumulo, reimmentendolo in circolazione, allo scopo di diluire la soluzione di LiBr (una minore concentrazione si traduce in una più alta tensione di vapore e ridotte prestazioni dell evaporatore). L attività della valvola LTPV è dettata dal carico di refrigerazione richiesto alla macchina, in condizioni di esercizio diverse da quelle di funzionamento a regime (steady state). Essa opera in modo da soddisfare il cambiamento di carico con una variazione continua dell operatività dell evaporatore, variando la concentrazione di LiBr in funzione della quantità di liquido refrigerante immagazzinato o rilasciato. Peraltro, la quantità di calore fornita al generatore muta in funzione della necessità di portare all ebollizione la soluzione di LiBr. È importante notare come una più alta concentrazione di LiBr si traduca in una più elevata temperatura di ebollizione. Al contrario una più bassa concentrazione ne comporta una più ridotta. Poiché il carico di refrigerazione può variare, in costanza dei parametri di temperatura dell acqua di raffreddamento e di quella di alimentazione, si verificano conseguenti variazioni di prestazione della macchina. Si possono cioè rilevare incrementi o decrementi di potenza frigorifera o di in un contesto di continua risposta dinamica. Conclusioni Gli assorbitori alimentati ad acqua calda, oggetto della presente disamina, sono dotati di un microprocessore deputato alla regolazione continua dei diversi parametri operativi; ciò allo scopo di conseguire le migliori prestazioni (best fit approach). In altri termini, in ogni istante vengono regolate le variabili di funzionamento di ciascun componente di interscambio di calore, in modo tale che tutti i parametri operativi della macchina siano regolati con il minimo compromesso per quanto concerne le prestazioni e l efficienza di esercizio. Può inoltre essere aggiunto che i piccoli mutamenti di prestazione rilevati sono da considerarsi positivamente per la flessibilità di funzionamento possibile, in relazione alle variazioni imposte dalle temperature e dalle portate del fluido di alimentazione, in un contesto in particolare di piccole e medie potenze di recupero termico per le quali le macchine sono state progettate. Descrizione componenti Per una migliore comprensione di quanto precedentemente esposto, si riporta appresso la figura 6) e la relativa tabella esplicativa. Vengono in esse elencati i differenti componenti delle apparecchiature considerate, la loro collocazione all interno delle stesse e le funzioni loro assegnate.
acqua calda (outlet) acqua di raffreddamento (outlet) acqua calda (inlet) acqua refrigerata (outlet) acqua di raffreddamento (inlet) acqua refrigerata (inlet) Soluzione diluita Acqua refrigerata Soluzione concentrata Acqua calda Fluido refrigerante Acqua di raffreddamento Figura 6 - Schema funzionale degli assorbitori considerati
N. Componente Funzioni svolte 1 Generatore (GE) Porta all ebollizione la soluzione diluita di LiBr producendo vapore refrigerante. 2 Condensatore (CO) Condensa il vapore refrigerante producendo liquido refrigerante. 3 Recipiente di raccolta del Raccoglie il liquido refrigerante mediante azionamento della valvola LTPV. liquido refrigerante (RSV) 4 Valvola proporzionale del refrigerante (LTPV) Valvola elettromagnetica proporzionale che controlla l accumulo di liquido refrigerante nel RSV. 5 Evaporatore (E) Il calore di evaporazione del refrigerate è estratto dall acqua da refrigerare che fluisce nella serpentina del E. 6 Assorbitore (A) Il vapore refrigerante sviluppatosi nel E è assorbito dalla soluzione concentrata di LiBr. Il calore prodotto nel processo di assorbimento è trasferito all acqua di raffreddamento che circola all interno della serpentina del A. 7 Valvola di by-pass della soluzione (SV9) Qualora le temperature del E o dell acqua di raffreddamento scendano sotto determinati valori, la valvola SV9 si apre per ridurre la portata di soluzione all A. 8 Valvola solenoide (SV1) Se l azione della valvola SV9 non dovesse arrestare l abbassamento della temperatura nell E, la valvola SV1 si apre a 1 C per permettere che della soluzione diluita entri nel E. 9 Valvola di conversione Non presente nei modelli della serie WFC SC. (CVR) 10 Valvola del liquido Controlla la quantità di liquido refrigerante in uscita da RSV. refrigerante (SV11) 11 Scambiatore (H) Permette la scambio termico dalla soluzione concentrata calda alla soluzione diluita fredda. 12 Pompa di soluzione (SP) Spinge la soluzione diluita dall assorbitore (A) al generatore (GE). 13 Assorbitore ausiliario Raccoglie i gas non condensabili formatisi nell assorbitore (A). 14 Separatore gas incondensabili I gas raccolti nell assorbitore ausiliario vengono separati dalla soluzione diluita e trasferiti nel recipiente di raccolta gas (GST). 15 Recipiente gas Trattiene i gas incondensabili. incondensabili (GST) 16 Valvola di servizio gas Valvola per la rimozione dei gas incondensabili dal recipiente GST. incondensabili 17 Valvola di servizio gas Valvola per la rimozione dei gas incondensabili nell area A/E. incondensabili 18 Valvola di prelievo Valvola di accesso al circuito della soluzione diluita. soluzione diluita 19 Valvola di prelievo Valvola di accesso al circuito della soluzione concentrata. soluzione concentrata 20 Filtro La soluzione proveniente dall assorbitore viene filtrata prima di entrare nella pompa di soluzione. 21 Pannello di comando (CB) Gestisce tutte le operazioni di comando ed interfaccia con i controlli esterni (non riportato in figura). 22 Flussometro acqua refrigerata (FS) Arresta l operatività dell unità se la portata dell acqua refrigerata scende al di sotto dell 80% di quella nominale. 23 Termostato (WTO) Controlla la temperatura di uscita dell acqua refrigerata. 24 Termostato (CTI) Monitorizza la temperatura dell acqua di raffreddamento. 25 Termostato (LT) Agisce sull operatività dell unità controllando la temperatura dell evaporatore. 26 Termostato (HWT) Monitorizza la temperatura di ingresso dell acqua calda di alimentazione.
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