Ciclo inverso PDF

Preview

Summary

Download Ciclo inverso PDF

Description

Facoltà di Ingegneria II

Corso di Fisica Tecnica

LA MACCHINA A CICLO INVERSO    •   •  !"

La macchina frigorifera Lo scopo principale del ciclo inverso è la realizzazione di una macchina frigorifera. Come si vedrà di seguito è possibile utilizzare il ciclo inverso anche per riscaldare, ma la sua funzione importante è la realizzazione di un ambiente a temperatura inferiore a quella ambiente. Per raffreddare un corpo, che chiamiamo sistema, è necessario porlo a contatto con un altro corpo, che chiamiamo pozzo, che si trovi ad una temperatura inferiore affinché il calore esca dal sistema e passi al corpo più freddo. Se si utilizza come pozzo un liquido che si trova in condizioni di liquido saturo a temperatura inferiore a quella ambiente, è possibile cedere calore ad esso senza che cambi la sua temperatura e pressione. Questo succede finché non è completato il cambiamento di fase.

L'ambiente

raffreddato viene chiamato cella frigorifera. Per operare ciclicamente è necessario riportare il vapore che è stato prodotto alle condizioni iniziali sottraendogli il calore che ha acquisito facendolo condensare utilizzando un pozzo che sia diverso dalla cella. E' opportuno utilizzare come pozzo l'ambiente esterno che può comportarsi come serbatoio-pozzo. Per fare ciò è necessario portare il vapore ad una temperatura superiore a quella ambiente comprimendolo ad una pressione opportuna. A questo punto si cede calore all'ambiente facendo condensare il vapore. Il processo di condensazione è un processo isobaro ed isotermo per cui è necessario, dopo la condensazione, riportare il liquido alla pressione ed alla temperatura adatti a raffreddare la cella frigorifera. Questo si ottiene sottoponendo il liquido ad un processo chiamato laminazione che provoca una riduzione della

Corso di Fisica Tecnica LA MACCHINA A CICLO INVERSO

temperatura e della pressione provocando l'evaporazione di una parte del liquido in un sistema isolando con un elevato attrito. Il ciclo inverso Il ciclo inverso è costituito dalle seguenti trasformazioni: 4-1

evaporazione: il fluido frigorigeno passa

dallo stato liquido a quello di vapore sottraendo calore alla cella frigorifera, la sorgente; 1-2

compressione: il vapore viene compresso

fino ad una pressione che porta il vapore a temperatura superiore al pozzo; 2 -3

condensazione: il fluido frigorigeno cede calore, prima raffreddandosi, quindi

condensando; 3 - 4 laminazione: il fluido passa attraverso un condotto o una sezione che provoca un forte attrito . Si ha la trasformazione di pressione in calore che fa evaporare un'aliquota di fluido. La valvola di laminazione, termodinamicamente, è un sistema rigido e adiabatico. Per le sue, relativamente, piccole dimensioni scambia poco calore, percentualmente trascurabile; non scambia lavoro perché non è predisposto a questo. L'aumentare della percentuale di vapore, aumento del titolo, porta il sistema ad una temperatura inferiore. Il calore di evaporazione, QB, passa dalla sorgente, cella frigorifera, al fluido alla temperatura inferiore;

il

calore

di

condensazione, QA, passa dal fluido al pozzo alla temperatura superiore. Quando si vuole utilizzare il

ciclo

inverso

come

frigorifero si utilizza come sorgente la cella frigorifera e come pozzo l'ambiente esterno. Quando si vuole utilizzare il

ciclo

inverso

riscaldare si utilizza

per il

volume da riscaldare come pozzo e l'ambiente come sorgente. In questo caso il ciclo inverso si 2

Corso di Fisica Tecnica LA MACCHINA A CICLO INVERSO

chiama pompa di calore. Per qualificare un ciclo inverso, nelle due applicazioni, viene utilizzato il parametro coefficiente di effetto utile (chiamato anche COP =coefficient of performance) pari al rapporto tra in calore utilizzato il lavoro fornito al sistema:

COPfrigorifero =

QB Lc

e COP pompa dicalore =

QA Lc

La relazione tra il COPfr e il COPpdc viene fornita dal bilancio espresso dal primo principio: QA − QB = L →

QA Q B − = 1 → COPpdc = COPfr + 1 L L

Quando l’utilizzazione del ciclo inverso è finalizzata al recupero di calore dalla sorgente fredda, calore non utilizzabile, ad una temperatura più elevata si parla di trasformatori di calore.

Ottimizzazione del ciclo

Le due applicazioni del ciclo inverso, frigorifero o pompa di calore, sono condizionate da una delle due temperature. Nel caso di frigorifero la temperatura di riferimento è quella della cella frigorifera: la temperatura di evaporazione del fluido frigorigeno avrà un valore inferiore di una decina di gradi a quella prevista per la cella frigorifero. Nel caso di pompa di calore la temperatura di riferimento è quella del pozzo, l'ambiente da riscaldare: la temperatura di condensazione del fluido frigorigeno avrà un valore superiore di una decina di gradi a quella prevista dell'ambiente da riscaldare. Il limite termodinamico è stabilito da un ciclo inverso operante secondo un ciclo di Carnot per il quale il COP vale: COPfrigorifero Carnot =

TB TA − TB

e COPpompa di calore Carnot =

TA TA − TB

Come si vede l'efficienza del ciclo inverso aumenta al diminuire della differenza di temperatura tra sorgente e pozzo.

Da queste considerazione si deduce che la seconda temperatura del ciclo,

sia per il frigorifero che per la pompa di calore, deve essere scelta in maniera tale che sia il più vicino possibile alla temperatura di riferimento. Il frigorifero subisce un peggioramento dell'efficienza proprio in estate, alte temperature dell'ambiente, proprio quando ha più bisogno di energia in quanto l'alta temperatura ambiente incrementa il calore che entra dall'esterno nella cella frigorifera e rappresenta, quindi, un maggior carico frigorifero di regime. La stessa cosa avviene alla pompa di calore quando opera d'inverno. Per questo motivo quando si vuole aumentare l'efficienza del ciclo inverso si cerca di utilizzare quale pozzo ambienti diversi dall'aria esterna. 3

Corso di Fisica Tecnica LA MACCHINA A CICLO INVERSO

4

Corso di Fisica Tecnica LA MACCHINA A CICLO INVERSO

E' possibile, infatti, utilizzare l'energia solare (pannelli solari termici) per ottenere una sorgente a temperatura superiore a quella dell'aria esterna, con un incremento di efficienza termodinamica. D'estate è possibile ottenere un effetto simile raffreddando un serbatoio d'acqua (il pozzo termico) utilizzando scambi termici con aria fresca (a temperatura leggermente inferiore a quella media ambiente) presente nelle zone ombreggiate.

Frigorifero di casa

Il frigorifero di casa di calore è realizzato per operare all’interno di un ambiente chiuso. Di questo deve tener conto principalmente il condensatore che ha il compito di cedere

all’esterno

del

frigorifero,

all’interno della casa, il calore sottratto al

fluido

frigorigeno

per

farlo

condensare. Esso realizzato con un tubo disposto a serpentina con una alettatura: è posizionato nella parte posteriore della cassa. Anche il compressore, sigillato, è posizionato nella parte posteriore per ridurre gli effetti acustici

5

Corso di Fisica Tecnica LA MACCHINA A CICLO INVERSO

Macchine ad assorbimento Premessa

Le macchine ad assorbimento permettono di produrre potenza frigorifera utilizzando come energia motrice sorgenti di calore. Questo tipo di macchina è stato brevettato nel 1859 e nel periodo che va dal 1860 al 1875 ha avuto una diffusione superiore alle macchine frigorifere a compressione. Agli inizi del '900 si ebbe la prevalenza delle macchine a compressione sia per la diffusione dell'energia elettrica sia per i miglioramenti tecnologici e produttivi dei compressori. La possibilità di utilizzare calore, anche di scarto, invece dell'elettricità, il funzionamento silenzioso ed affidabile dovuto alla quasi assenza di organi in movimento rendono conveniente l'utilizzo di tale tipo di macchine in numerose applicazioni.

Principio di funzionamento

Si

considerino

due

recipienti,

come

disegnato in figura 1a, uno contenente una sostanza pura l'altro una miscela costituita dalla

stessa

sostanza

e

da

un

altro

componente con cui forma una soluzione. Il vapore della sostanza pura nel recipiente che contiene la soluzione ha una tensione di vapore minore di quella che si realizza nel recipiente che contiene la sola sostanza pura, a parità di temperatura. Se i due recipienti vengono messi in comunicazione (fig. b) la soluzione comincia ad assorbire il vapore della sostanza pura che, allo stesso tempo, evapora dal recipiente che contiene la sola sostanza pura. In quest'ultimo, a causa dell'ebollizione, si ha una riduzione della temperatura del liquido per la sottrazione del calore di vaporizzazione con produzione di effetto frigorifero. La soluzione, per contro, subisce un innalzamento di temperatura dovuto al calore di condensazione ed al calore di diluizione della soluzione. L'aumento della diluizione della soluzione, insieme all'aumento di temperatura, riduce le capacità assorbenti per l'aumento della tensione di vapore fino ad annullarla. La sostanza pura svolge la funzione di refrigerante, mentre la soluzione, ottenuta con l'aggiunta di una sostanza con bassa tensione di vapore, svolge la funzione di assorbente.

Realizzazione del ciclo

Per consentire la produzione continua di energia frigorifera, è necessario mantenere costante la concentrazione di assorbente nella soluzione e ripristinare il livello di refrigerante 6

Corso di Fisica Tecnica LA MACCHINA A CICLO INVERSO

nell'evaporatore. Per far evaporare il refrigerante dalla soluzione diluita, è necessario portare quest'ultima ad una temperatura maggiore di quella necessaria a far evaporare il refrigerante puro. Per effettuare questa fase, detta di rigenerazione, la soluzione diluita viene prelevata dall'assorbitore ed inviata nel generatore. In questo componente viene fornita alla

soluzione

diluita

l'energia termica necessaria a far evaporare il refrigerante (fig. a).Poiché nel generatore il vapore del refrigerante è a pressione maggiore

dell'assorbitore,

la soluzione diluita deve essere inviata con l'aiuto di una pompa che compensi la differenza di pressione tra i due componenti. La soluzione concentrata che viene prodotta nel generatore viene inviata nell'assorbitore mediante una valvola di laminazione per compensare la differenza di pressione esistente tra generatore ed assorbitore. Osservando il collegamento tra il generatore e l'assorbitore, si nota il passaggio di soluzione concentrata calda che viene travasato nell'assorbitore e il travaso di soluzione diluita nel generatore. Inserendo uno scambiatore di calore tra i due

flussi

è

possibile

ridurre

la

temperatura della soluzione concentrata che entra nell'assorbitore, con aumento delle capacità assorbenti, e aumentare la temperatura della soluzione diluita che entra

nel

generatore

riducendo

l'ammontare del calore da fornire al sistema. Per asportare il calore necessario a condensare il liquido frigorigeno ed il calore che si sviluppa nell'assorbitore è necessario realizzare appositi circuiti di raffreddamento. La maggior parte del calore che si sviluppa nell'assorbitore è il calore di condensazione del fluido frigorigeno; circa la stessa quantità deve essere estratta dal condensatore. Considerando la 7

Corso di Fisica Tecnica LA MACCHINA A CICLO INVERSO

differenza di pressione che è presente nei due componenti si conclude che la temperatura che si realizza nel condensatore sarà maggiore della temperatura che si realizza nell'assorbitore. Il circuito di raffreddamento può essere, quindi, uno solo con ingresso nell'assorbitore ed uscita dal condensatore.

Il vapore di refrigerante viene inviato in un condensatore (fig. 2b) quindi

immesso nell'evaporatore, dopo aver adeguato la sua pressione attraversando una valvola di laminazione, chiudendo il ciclo.

Lo schema della macchina ad assorbimento è riportato in

figura.

Confronto tra ciclo ad assorbimento e ciclo a compressione

Le macchine ad assorbimento operano in maniera analoga alle macchine a compressione. Entrambe producono l'effetto

frigorifero

effettuando l'evaporazione di fluido e cedono all'esterno il calore sottratto al fluido frigorigeno differenza

per

farlo

consiste

compressione

del

condensare.

nelle fluido

modalità

La di

frigorigeno

dall'uscita dell'evaporatore all'ingresso del condensatore. Nelle macchine ad assorbimento, invece del compressore, viene impiegato il gruppo assorbitore-pompa-generatore, come schematicamente indicato in fig. 4.

Analisi del ciclo ad assorbimento

Si può immaginare la macchina ad assorbimento come un gruppo di macchine reversibili secondo lo schema di funzionamento indicato in fig. 5. Il sistema termodinamico realizzato con la macchina ad assorbimento è quello contornato dalla linea tratteggiata. Gli scambi di energia sotto forma di calore avvengono a tre livelli di temperatura. La temperatura più alta è quella cui si fornisce il calore QG al generatore, TG; ad un livello inferiore è la temperatura ambiente Tamb alla quale viene ceduto il calore QC+QA del condensatore e dell'assorbitore; la temperatura più bassa è TE cui il calore viene sottratto all'evaporatore. Si dovrebbe, in realtà, valutare l'apporto di energia sotto forma di lavoro fornita alla pompa di alimentazione del generatore: la sua entità è trascurabile rispetto ai valori di energia che viene scambiata negli altri componenti.

La prima macchina riceve il calore QG alla temperatura TG

e cede il calore QC nell'ambiente a temperatura Tamb producendo un lavoro LGC. Il suo rendimento vale:

8

Corso di Fisica Tecnica LA MACCHINA A CICLO INVERSO

L GC ( TG − Tamb ) = QG TG La seconda macchina, che funziona secondo un ciclo inverso, riceve il lavoro LGC, sottrae il calore QE alla temperatura TE e cede di calore QA alla temperatura Tamb. L'effetto utile (COPfrig) vale:

QE TE = L GC ( Tamb − TE ) L'effetto utile (COPfrig) del frigorifero ad assorbimento si può definire come QE/QG. Utilizzando le due relazioni precedenti si ottiene:

TE ( TG − Tamb ) COPfrig ass = TG ( Tamb − TE ) Allo stesso risultato si arriva applicando al sistema visto il 1° ed il 2° principio della termodinamica. Per il 1° principio si ha: QG+ QE = QC + QA

(4)

per il 2° principio, per macchine a funzionamento reversibile, si ha:

QG Q E Q Q + = C + A TG TE Tamb Tamb Combinando le due relazioni si ottiene:

1 QE 1 QE + = + TG QG TE Tamb Q G Tamb e quindi di nuovo

Q E TE ( TG − Tamb ) = QG TG ( Tamb − TE ) Se indichiamo con η CD il rendimento della macchina motrice e con COPCI l’effetto utile della macchina a ciclo inverso, il COPfrig della macchina ad assorbimento si può esprimere con la relazione:

Q E ( TG − Tamb ) TE = ⋅ = η CD ⋅ COP CI QG TG (Tamb − TE ) E' opportuno sottolineare che la valutazione del COPfrig qui fatta si riferisce a due macchine a comportamento ideale. Per una macchina ad assorbimento monostadio il COPfrig vale al massimo uno. Questo perché il calore da fornire al generatore per far evaporare l’unità di massa di refrigerante è, al massimo, uguale al calore che la stessa unità di massa sottrae 9

Corso di Fisica Tecnica LA MACCHINA A CICLO INVERSO

nell'evaporatore. Nei casi reali il valore dell’effetto utile si aggira intorno a 0,6.

La coppia assorbente-refrigerante

La prima caratteristica che deve avere la coppia di sostanze da impiegare in macchine ad assorbimento è l'affinità che permette alla soluzione di assorbire il refrigerante. Il fluido assorbente dovrebbe essere non volatile affinché al generatore si abbia la separazione del solo fluido frigorigeno. I fluidi dovrebbero essere solubili almeno nel campo delle temperature operative della macchina in maniera tale che non si incorra nella cristallizzazione che comporta la fermata della macchina. Sarebbe desiderabile, inoltre, che le pressioni di lavoro non siano molto diverse dalla pressione atmosferica in maniera da evitare di avere una parte dell'impianto sottovuoto oppure a pressione elevata. Come per ogni tipo di macchina refrigerante, il fluido frigorigeno dovrebbe avere un calore di vaporizzazione alto e un calore specifico basso; i fluidi, inoltre, dovrebbero essere stabili, per non richiedere la loro sostituzione dopo un certo periodo di tempo ed, infine, poco corrosivi, non infiammabili e scarsamente tossici. Le coppie impiegate comunemente nelle macchine ad assorbimento sono acqua-bromuro di litio (H2O-LiBr), e ammoniaca-acqua (NH3-H2O). Nella coppia H2O-LiBr il refrigerante è l'acqua: questo comporta l'impossibilità a scendere sotto 0°C. Il bromuro di litio è limitatamente solubile così da comportare il pericolo di cristallizzazioni, la macchina deve operare sottovuoto. Ha, quindi, un limitato campo di temperature in cui operare e di conseguenza non è praticamente raffreddabile ad aria. A vantaggio di questa coppia c'è la non volatilità del LiBr, la non tossicità dell'acqua e la scarsa corrosività del LiBr. Nella coppia NH3-H2O il refrigerante è l'ammoniaca. Questa sostanza è volatile per cui è necessario rettificare la miscela acqua-ammoniaca che si libera al generatore per dividere i due componenti. L'ammoniaca è tossica e infiammabile; richiede, inoltre, elevate pressioni di condensazione (>10 bar). A vantaggio c'è la possibilità di raffreddare a temperature molto più basse di 0°C e di utilizzare un circuito di raffreddamento ad aria.

•

10...