Cicli ad assorbimento Il compressore meccanico del fluido del ciclo inverso è sostituito da un complesso assorbitore-generatore (vedi figura 10.25). Il primo componente A (assorbitore), attraverso un solvente, permette di portare in soluzione il fluido refrigerante che pertanto si mantiene ad una pressione bassa; il secondo componente G (generatore o bollitore), col riscaldamento della soluzione, riemette il soluto ad una pressione superiore a quella ottenuta nell assorbitore. Questo ciclo richiede che il fluido frigorigeno sia solubile in un solvente con una notevole variazione di pressione di vapore in funzione della temperatura. Le coppie più utilizzate di sostanze sono indicate nella tabella 1. Tabella 1 - Coppie di sostanze utilizzate negli impianti ad assorbimento. SOLUTO SOLVENTE CAMPO DI APPLICAZ. (Refrigerante) LAVORO Ammoniaca Acqua Refrigerazione industriale Acqua Bromuro di Litio Sopra 0 C Condizionamento L assorbitore lavora a bassa temperatura ed essendo la reazione di assorbimento esoterma, l apparecchio cede il calore Q 2 che deve essere asportato e riversato in ambiente; all opposto nel generatore si deve fornire calore Q 1. Il lavoro di compressione è quindi sostituito dalla fornitura di energia attraverso il calore Q 1 fornito a temperatura superiore all'ambiente e Q 2 sottratto a temperatura ambiente. La rimanente parte dell'impianto (condensatore C, valvola di trafilazione V ed evaporatore E) è identica a quella di un normale impianto a compressione di vapore. La pompa P trasporta la soluzione ricca dall'assorbitore al generatore con bassissimo (trascurabile nei calcoli) consumo di energia; lo scambiatore in controcorrente S permette di ricuperare il calore della soluzione povera che procede dal generatore all'assorbitore cedendolo alla soluzione ricca che procede in senso inverso.
L impianto ad assorbimento funziona come un convertitore exergetico e può essere utilizzato sia come frigorifero che come pompa di calore secondo gli schemi di figura 10.25. Figura 10.25 - Impianto frigorifero o pompa di calore ad assorbimento. Il progetto dell'impianto ad assorbimento si effettua con l'uso del diagramma entalpie-concentrazioni (Merkel e Bosnjakovic) della soluzione utilizzata. Nel caso di acqua (solvente) ed ammoniaca (soluto) il diagramma in questione è riportato nella figura 10.26. Nel seguito si farà riferimento a questa coppia di sostanze in quanto essa presenta la maggiore generalità di comportamento e di applicazione.
Figura 10.26 Diagramma entalpia-concentrazione per la miscela acquaammoniaca. Sul diagramma in questione sono indicate le entalpie in ordinate e le concentrazioni sulle ascisse (definite come rapporto fra la massa di soluto e la massa della soluzione); il valore 1 di concentrazione corrisponde quindi a solo soluto (nel caso di figura 10.26 ammoniaca).
Sul diagramma sono riportati alcuni fasci di curve di cui le coppie in basso (isoterme e isobare) corrispondono alla fase liquida e quelle in alto (isoterme ed isobare) alla fase vapore in condizione di equilibrio fra loro. Un ultimo fascio di curve intermedie ausiliarie permette di stabilire, attraverso una semplice costruzione geometrica indicata nella figura, di stabilire la corrispondenza fra la condizione del liquido e quella del vapore fra loro in equilibrio. Alcuni punti del diagramma non corrispondono a condizioni di equilibrio fra liquido e vapore (es. i punti 6, 7, 8) in quanto ci si trova fuori dalla colonna (generatore o assorbitore) dove le varie fasi sono in stretto contatto fra loro. In particolare questi apparecchi sono costituiti da vere e proprie colonne di rettifica a piatti o a riempimento dove il contatto fra la fase liquida e la fase vapore sono garantite da una grande superficie di contatto e da un riflusso adeguato. I numeri riportati sul diagramma corrispondono alle situazioni dei punti indicati sullo schema di figura 10.25. Ogni kg di ammoniaca che percorre il condensatore-evaporatore sarà prodotta da f kg di soluzione ricca (nel generatore) e qindi assorbita da 1-f kg di soluzione povera (nell'assorbitore). Per ottenere questo processo sarà necessario fornire la quantità di calore nel generatore ed asportare, versandolo in ambiente, la quantità di calore q a nell'assorbitore; i simboli sono minuscoli in quanto si immaginano riferiti a 1 kg di ammoniaca nel circuito esterno. Per una data pressione ed una data temperatura: h soluz = h amm 1 h acqua q soluz h vap = h amm 1 h acqua Le linee indicate sul diagramma di figura 10.26 corrispondono alle seguenti trasformazioni: 1' 1'' 2 nel generatore G 2 2' - 1 1'' nel recuperatore R 3 2'' 4 nell'assorbitore. I punti 1'' e 5 si corrispondono essendo le due fasi, liquida e vapore nel generatore (supponendo unitaria l'efficienza della colonna), i punti 2' e 3 coincidono essendo la trasformazione isentalpica ed ovviamente a concentrazione costante ed infine i punti 1 e 4 sono praticamene coincidenti essendo trascurabile il lavoro della pompa P del liquido.
In 1' ed in 3 le soluzioni rispettivamente ricca e povera si trovano in uno stato di sottoraffreddamento rispetto alle linee isobare corrispondenti p b e p a. L'equazione di bilancio delle masse del generatore si scrive: f r =1 v f 1 p dove r ; v ; p rappresentano rispettivamente le concentrazioni delle soluzione ricca, del vapore che esce da G e della soluzione povera. Da essa si ottiene: f = v p r p = A' A o A ' o A o Per i vari apparecchi, trascurando le energie cinetiche e gravitazionali, si possono scrivere le seguenti equazioni di bilancio entalpico: f h 1 '=h 5 f 1 h 2 per il generatore G f 1 h 2 h 2 ' = f h 1 ' h 1 per il ricuperatore R f 1 h 3 h 8 = f h 4 q a per l'assorbitore A q c =h 6 h 5 per il conensatore C q e =h 8 h 7 per l'evaporatore E Il bilancio termico dell'intero apparecchio, trascurando il lavoro l p della pompa P, stabilisce che: q e =q a q c Ma dalle equazioni sopra riportate e relative al generatore ed all'assorbitore si deduce: =h 5 [h 2 f h 2 h 1 ' ] q a =h 8 [h 3 f h 3 h 4 ] I triangoli A o 2 A' ed A' o 1' A' sono simili e quindi:
h 2 h 1 ' = h h ' 2 A 1 f Così i triangoli A o 3 A' ed A' o A A' sono simili per cui: h 3 h 4 = h 3 h A ' 1 f Da queste due relazioni e dalla relazione che definisce f si ottiene: h 2 f h 2 h 1 ' =h 3 f h 3 h 4 In conclusione: =h 5 h A ' q a =h 8 h A ' q r =h A ' h A Tutte queste grandezze sono misurabili sul grafico a partire dalla orizzontale tracciata per A'. Gli effetti utili dipendono dall'uso dell'apparecchio: Come frigorifero: q e cf = l p Come pompa di calore: q c pc = l p Le macchine ad assorbimento presentano grande interesse nei casi in cui si abbia a disposizione del calore di scarico di precedenti attività quali ad esempio fonderie dell'acciaio, raffinerie, turbogas, motori a combustione interna ecc.. ed anche collettori termici solari. L'interesse si manifesta infine nell'uso del calore delle reti di teleriscaldamento (acqua surriscaldata o vapore) durante il periodo estivo per la produzione del freddo necessario per il condizionamento dell'aria.
Alcune macchine (Robur) sono provviste di un bruciatore di gas entro una caldaia strettamente collegata al generatore a cui fornisce il calore. Anche in questo caso la bontà della macchina quale convertitore termico può essere verificata attraverso un rendimento exergetico definito come: = Exergiautilizzata Exergia spesa Il problema della coppia di sostanze acqua-ammoniaca, come appare anche dal diagramma di figura 10.26, è che il composto più volatile che si libera dal generatore presenta una concentrazione non proprio unitaria; la quota 1- v in vapor d'acqua condensa ed a volte gela nella valvola di espansione V procurandone l'otturazione. Per evitare questo inconveniente è utile l'introduzione di una colonna di rettifica in testa al generatore per portare la concentrazione v sopra a 0,95. Un esempio numerico è riportato nella seguente tabella 2. Tabella 2 Impianto ad assorbimento acqua ammoniaca. PUNTO PRESS. TEMP. TITOLO ENTAL. bar C kg NH3 /kg misc kjt/kg misc 1 15 140 0,48-5 1' 15 140 0,48 230 2 15 20 0,2 503 2' 15 20 0,2 12 3 1 20 0,2 12 4 1 20 0,48-5 5 15 78 0,97 1780 6 15 20 0,97 600 7 1-40 0,97 600 8 1-40 0,97 1630
q 1 = 2110 kjt/kg q 2 = q a 1960 kjt/kg q c 1180 kjt/kg q e 1030 kjt/kg Per una potenza frigorifera di 420 kwt si ottiene una: Portata di ammoniaca di 0,408 kg/s per cui: Q 1 = Q b 860,4 kwt Q 2 = Q a 799,2 kwt Q c 481,2 kwt Q e 420 kwt L'effetto frigorifero specifico risulta 420/860,4 = 0,408 Il rendimento (exergetico) essendo la temperatura ambiente di 20 C = 293,15K = Q e T 7 T amb 1 Q b 1 T amb T 1 ' = 420 293,15 255,15 1 860,4 1 293,15 413,15 =0,433 La coppia di sostanze acqua bromuro di litio, molto usata nelle macchine ad assorbimento per il condizionamento o la refrigerazione, presenta le seguenti caratteristiche, alcune positive ed altre negative rispetto alla coppia acqua-ammoniaca.
Per quanto concerne il Bromuro di Litio derivano le seguenti osservazioni: 1) dalla forma delle curve di equilibrio, sul diagramma entalpia concentrazione, si riscontra che non risulta necessaria la colonna di rettifica in quanto il vapore prodotto dal generatore presenta una concentrazione praticamente unitaria (caratteristica positiva); 2) la pressione dell'intero circuito fluido è molto inferiore alla pressione atmosferica e quindi lavora sotto vuoto molto spinto ottenuto con involucri a tenuta di vuoto e mantenuto con una pompa da vuoto (caratteristica negativa); 3) essendo la parte volatile costituita da vapor d'acqua non è possibile produrre freddo a temperatura inferiore a 0 C (caratteristica negativa); 4) in particolari condizioni di temperatura si forma la cristallizzazione del bromuro di litio che blocca il funzionamento della macchina e richiede l'attivazione di una particolare procedura per la riattivazione (caratteristica negativa); 5) queste macchine hanno dimensioni e potenze considerevoli e quindi non sono previste per piccoli impianti (caratteristica negativa); 6) la soluzione acqua bromuro di litio è un poco corrosiva nei confronti degli acciai e delle leghe di saldatura e quindi sono poche le Ditte su scala mondiale in grado di costruire macchine efficienti ed affidabili; in tal caso la durata è di molto superiore alle macchine a compressione e sulla vita della macchina si ricupera abbondantemente il loro maggior costo iniziale.