Refrigerazione Riduzione e/o mantenimento della temperatura a valori più bassi della temperatura ambiente (<8 C) Obiettivi Stabilizzazione Solidificazione (cristallizzazione/vetrificazione) Principi Trasporto di calore
Macchina frigorifera a compressione di vapore
Macchina frigorifera a compressione di vapore E una macchina che, utilizzando una potenza meccanica (P), assorbe una potenza termica (q) da una sorgente a bassa temperatura e cede la potenza termica (q+p) a una sorgente ad alta temperatura. Il fluido frigorigeno assorbe energia termica dalla sorgente a bassa temperatura ed energia meccanica dal compressore e la trasferisce, tutta sotto forma di energia termica, alla sorgente ad alta temperatura.
EVAPORATORE L evaporatore è uno scambiatore di calore all interno del quale il fluido frigorigeno evapora e sottrae calore alla sorgente a bassa temperatura. Sorgente a bassa temperatura: prodotto alimentare, aria, acqua..
CONDENSATORE Il condensatore è uno scambiatore di calore all interno del quale il fluido frigorigeno condensa e cede calore alla sorgente ad alta temperatura. Sorgente ad alta temperatura: aria, acqua.
Trasformazioni termodinamiche del fluido frigorigeno
Trasformazioni termodinamiche del fluido frigorigeno Prof. S. Cavella 22-9-2016
Confronto tra ciclo ideale e reale La compressione non è isoentropica, quindi, al compressore è necessaria una maggiore potenza. Il rapporto tra la potenza del ciclo ideale e quella del ciclo reale è detto rendimento isoentropico.
FLUIDO FRIGORIGENO Nell intervallo temperatura evaporatore temperatura condensatore deve poter subire cambiamenti di fase liquido-vapore. Deve avere un elevato calore latente di vaporizzazione. Non deve avere elevate pressioni di saturazione. Non deve avere volume specifico troppo alto a cui corrisponderebbero grossi volumi. Non si deve surriscaldare troppo quando è compresso. Non deve essere tossico, infiammabile, corrosivo. Deve avere un basso costo e non dovrebbe causare danni ambientali.
Le proprietà termodinamiche di un fluido frigorigeno possono essere disponibili sotto forma di tabelle o di diagrammi di fase
La capacità di refrigerazione ovvero la velocità con cui viene sottratto calore è commercialmente espressa in tonnellata di refrigerazione, che corrisponde a una velocità di raffreddamento che consente di fondere 1 ton (2000 lb) di acqua in 24 h. Poiché il calore di fusione dell acqua è 144 BTU/lb, tale velocità di raffreddamento è pari a 12000 BTU/h=3.5168 kw.
Esempio 1 Una cella frigorifero è mantenuta a 2 C, usando come refrigerante R-134a. La temperatura dell evaporatore e del condensatore sono pari a -5 e 40 C, rispettivamente. Il carico termico da rimuovere è pari a 70kW, l efficienza del compressore è pari all 85%. Calcolare la portata del refrigerante, la potenza del compressore, il coefficiente di prestazione.
Dalla tab. A63: Evaporatore T=-5 C Condensatore T=40 C P=243kPa P=1016kPa Tracciare sul diagramma di fase le trasformazioni termodinamiche del fluido frigorigeno: Disegnare le isobare per P=243kPa (1) e P=1016kPa (2). Dall intersezione della prima isobara con la curva del vapore saturo spostarsi su una isoentropica fino a incontrare la seconda isobara. Dall intersezione della seconda isobara con la curva del liquido saturo spostarsi su una isoentalpica fino a incontrare la prima isobara.
Sul diagramma di fase leggiamo: H D =156 kj/kg H A =296 kj/kg H B =327 kj/kg
70 m refr. 0.502kg/ 296 156 s P 0.502 327 296 0.85 compressore 18. 31 kw COP 296156 327 296 4.52
Esempio 2 Un sistema di refrigerazione a compressione di vapore che utilizza ammoniaca come refrigerante (R-717) opera nel seguente modo: temperatura all evaporatore -20 C, temperatura al condensatore 30 C. Si desidera determinare l effetto dell innalzamento della temperatura al condensatore a 35 C su: a) capacità di refrigerazione per kg di refrigerante; b) potenza teorica al compressore, c) COP.
Dalla tab. A.6.2: Evaporatore T=-20 C P=191kPa H E =342kJ/kg Condensatore T=30 C P=1169kPa H D =342kJ/kg Tracciare sul diagramma di fase le trasformazioni termodinamiche del fluido frigorigeno (Fig. A.6.3): Disegnare le isobare per P=191kPa (1) e P=1169kPa (2). Dall intersezione della prima isobara con la curva del vapore saturo spostarsi su una isoentropica fino a incontrare la seconda isobara.
Sul diagramma di fase leggiamo: H A =1435kJ/kg H B =1710 kj/kg
Dalla tabella A.6.2: H D =H E =366kJ/kg Sul diagramma di fase leggiamo: H B =1740 kj/kg
Refrigeration load Regime transitorio calore sensibile + calore latente o di respirazione Regime stazionario dispersioni termiche apertura porte* generazione di calore [motori, persone (293W/persona),lampade,respirazione vegetali**] Prof. S. Cavella 28-09-2016
* q 0.0484 T 1. 71 2126W e h La porta di una cella di refrigerazione è alta 3.048 m e larga 1.83 m. Ogni ora la porta è aperta almeno 5 volte e ogni volta rimane aperta per almeno 1 min. Se all interno della cella la temperatura deve essere mantenuta a 0 C e all esterno la temperatura è pari a 29.4 C. Calcolare la potenza termica da sottrarre a causa dell apertura della porta. q 2126 0.0484 29.4 1.83 e 3.048 1.71 108.6kW q 108.6 5 60 35.58MJ Prof. S. Cavella 28-09-2016
* * REFRIGERAZIONE Il calore generato dalla respirazione di prodotti vegetali a temperatura costante, q (mw/kg), può essere stimato con il seguente modello: mentre quello generato durante il raffreddamento (variazione lineare della temperatura) è dato da: q a b T e 1 q a e bt 1 T 2 b T 1 b e T T 1 2 Prof. S. Cavella 28-09-2016
Calcolare il calore generato dalla respirazione di spinaci mantenuti a 3.33 C. e 0.1313.33 q 65.6 101. 47 mw kg Prof. S. Cavella 28-09-2016
Si desidera raffreddare cavolo da 32.2 C a 4.44 C in 4 h. Calcolare il calore di respirazione, potendo assumere che la temperatura diminuisce linearmente. q Q e 0.07432.2 16.8 0.074 32.2 4.44 3 77.25310 43600 1 0.07432.24.44 e 1112 J kg 77.253 mw kg Prof. S. Cavella 28-09-2016
Esempio 1 Calcolare la potenza termica da rimuovere in una cella di stoccaggio dove è mantenuta una temperatura pari a 5 C e sono conservati 2000 kg di spinaci. Prof. S. Cavella 29-09-2015
Dalla tab. A.2.6. a 5 C 136 W/Mg P=2000*(136/1000)=246 W Prof. S. Cavella 29-09-2015
Esempio 4 100 kg di un prodotto alimentare liquido (c p =3600 J/kg C) devono essere raffreddati da 40 a 5 C in 10 min. Il raffreddamento è effettuato immergendo la serpentina dell evaporatore di un sistema di refrigerazione a compressione di vapore (R-134a) direttamente nel recipiente che contiene il prodotto. La temperatura all evaporatore è 1 C, temperatura al condensatore è 40 C. Determinare: a) la portata massica del refrigerante; b) il coefficiente di prestazione (COP). Se il condensatore è uno scambiatore di calore a tubi concentrici, all interno del quale circola in controcorrente come fluido freddo acqua, che si porta da 10 a 30 C, determinare la lunghezza del tubo. Si consideri U 0 = 1000 W/m 2 C, e per il tubo interno D e =2.2 cm e D i =2 cm. Prof. S. Cavella 28-09-2016
Dalla tab. A.6.3: Evaporatore T=1 C P=3 bar Condensatore T=40 C P=10.16 bar H D =156kJ/kg Tracciare sul diagramma di fase le trasformazioni termodinamiche del fluido frigorigeno (Fig. A.6.4): Disegnare le isobare per P=3 bar (1) e P=10.16 bar (2). Dall intersezione della prima isobara con la curva del vapore saturo (A) spostarsi su una isoentropica fino a incontrare la seconda isobara (B). Dall intersezione della seconda isobara con la curva del liquido saturo (D)spostarsi su una isoentalpica fino a incontrare la prima isobara (E). Prof. S. Cavella 28-09-2016
Sul diagramma di fase leggiamo: H A =299 kj/kg H B =320 kj/kg H E =H D =156 kj/kg Prof. S. Cavella 28-09-2016
q 1003.6 405 1060 21 kj s 21 m refr. 0.15kg/ 299156 s COP 299156 320 299 6.81 Prof. S. Cavella 28-09-2016