La trigenerazione realizzata con la tecnologia ad assorbimento Paolo Colaiemma maya@maya-airconditioning.com La cogenerazione e la trigenerazione sono argomenti di grande attualità. Recentemente sono stati varati provvedimenti normativi e legislativi atti a promuovere l’utilizzo esteso di queste proposte tecnologiche e se ne prevedono di conseguenza importanti sviluppi applicativi. Gli argomenti trattati nel presente lavoro riguardano impianti di piccola cogenerazione, ossia quelli che coprono potenze elettriche fino a 1 MW, che utilizzano allo scopo motori a combustione interna. In particolare verranno considerate le problematiche poste dall’ adozione, in accoppiamento ai motori, di assorbitori, apparecchiature queste che permettono la conversione del calore recuperato dal sistema cogenerativo in energia frigorifera atta agli impieghi più vari, quali processi industriali e climatizzazione ambientale. I gruppi utilizzati allo scopo sono caratterizzati da potenze frigorifere fino a 176 kW, sono modulari nella concezione costruttiva e compatibili tra di loro, il che permette installazioni con più unità per coprire livelli di potenza diversi. Per il loro azionamento è possibile utilizzare acqua a temperature assai basse, fra i 70 °C e i 95 °C. Producono acqua a 7 °C, con un’efficienza di conversione del 70%. Di seguito verranno formulati particolari suggerimenti atti ad ottenere il massimo rendimento energetico del sistema combinato. Va peraltro segnalato come questa formula tecnologica, altrimenti denominata trigenerazione, trovi da tempo ampia e proficua diffusione nei paesi del nord Europa, assai attenti ad ogni proposta di uso efficiente dell’energia. La cogenerazione e la trigenerazione Il termine cogenerazione si riferisce alla produzione combinata di calore ed energia elettrica (CHP = Combined Heat and Power) ottenuta impiegando energia primaria. L’energia primaria può essere quella potenziale del gas o del gasolio utilizzata in un motore a combustione interna, che aziona un generatore elettrico. Una gran parte del calore generato dal motore viene recuperata ed impiegata per scopi diversi. In passato, era uso comune installare in loco gruppi elettrogeni, sia per le emergenze - stand by - da utilizzare cioè in caso d’ interruzione dell’alimentazione da rete, sia per la produzione dell’energia elettrica necessaria in tutti quei casi in cui questa non era altrimenti disponibile.

Allora non si prestava grande attenzione al rendimento complessivo del sistema; la figura 1 illustra l’efficienza caratteristica di una installazione di produzione di energia elettrica, senza alcun recupero del calore dal motore. Gli attuali costi dell’energia primaria, quelli dell’energia elettrica e l’efficienza globale ottenibile con il recupero del calore da un gruppo elettrogeno hanno cambiato completamente l’intero concetto impiantistico adottato, portando alla scelta di soluzioni miranti alla drastica riduzione dei costi. Il rendimento ricavabile su motori, che convertono l’energia meccanica in energia elettrica, è dell’ordine del 32%; ciò in altri termini significa che l’acqua di raffreddamento del motore e i gas prodotti disperdono quasi il 70% dell’energia potenziale del combustibile di alimentazione impiegato. Peraltro, normalmente la possibilità di recupero del calore generato dal motore può risultare dell’ordine del 90%. L’efficienza del sistema di cogenerazione può essere così espressa:

Te= Ep + ( Pe - Ep) er Pe

dove : Te = efficienza totale Ep = energia elettrica prodotta Pe = energia primaria impiegata er = efficienza del sistema di recupero termico adottato

Figura 1 - Rendimento elettrico di un generatore tradizionale operante senza alcun recupero termico

Figura 2 - Cogeneratore (CHP) in cui è previsto il recupero del calore per riscaldamento o per produzione di acqua calda sanitaria La figura 2 illustra visivamente i vari valori in gioco. Quanto sopra dimostra chiaramente che se, invece di utilizzare combustibile per produrre solo energia elettrica, si recuperasse ed impiegasse il calore prodotto, si otterrebbe un incremento dell’efficienza del 54%, con valori complessivi di questa pari al 86%.

Deve comunque esistere un uso continuo del calore disponibile durante tutto il periodo di produzione dell’energia elettrica.

Figura 3 - Rendimento complessivo di un cogeneratore in funzione della quantità di calore recuperata ed utilizzata

Se dovesse verificarsi un utilizzo solo parziale, il rendimento complessivo risulterebbe penalizzato. La figura 3 illustra l’andamento decrescente dell’efficienza del sistema in funzione del mancato uso del calore prodotto. Affinché quindi il sistema di cogenerazione risulti valido, scontata la produzione di energia elettrica, deve verificarsi una contemporanea possibilità di utilizzo del calore disponibile; può altrimenti essere detto che, assodato un conveniente impiego del calore, deve essere opportunamente utilizzata l’energia elettrica prodotta. La concomitanza degli impieghi rappresenta quindi il fattore critico del sistema. La possibilità di riversare in rete l’eccedenza elettrica disponibile, ovverosia non utilizzabile direttamente, risolve immediatamente il problema della contemporaneità dell’utilizzo. In altri termini, in questo caso l’impianto di cogenerazione risulta sempre completamente e continuamente impegnato a pieno carico. Ovviamente l’eccedenza ceduta alla rete deve essere equamente compensata (buy back). E’ molto probabile che il cogeneratore usi in loco tutta l’energia elettrica prodotta, particolarmente se trattasi di applicazioni industriali. In molti casi si verifica pure un uso locale del calore di recupero in processi associati. Nel settore terziario (uffici, centri commerciali, alberghi, ospedali, eccetera) l’utilizzo del calore, viceversa, deve essere considerato diversamente. Mentre i mesi invernali offrono buone opportunità di impiego del calore per il riscaldamento ambientale e per la produzione di acqua calda sanitaria, non altrettanto può dirsi per quelli estivi. Il calore disponibile andrebbe per la massima parte irrimediabilmente perso, se non fosse possibile un suo proficuo impiego in un gruppo frigorifero ad assorbimento. In questo caso, più che di cogenerazione si può parlare di trigenerazione (CCHP = Combined Cool Heat and Power). Le macchine ad assorbimento disponibili utilizzano come fluido di lavoro una soluzione di bromuro di litio ed acqua. Sono caratterizzate da un COP (Coefficient Of Performance) pari a prima0,7, funzionano seguendo un ciclo a singolo effetto e producono acqua refrigerata a 7 °C con alimentazione ad acqua calda ricavata dall’impianto di cogenerazione attorno a 90 °C. Considerato tale COP, con l’assunzione che, ad esempio, tutto il calore recuperato dal motore sia impiegato nell’assorbitore, la figura 4 evidenzia il rendimento complessivo del sistema, che risulta nell’ordine del 70%.

L’utilizzo del calore per il raffrescamento oltre che per il riscaldamento ambientale e la produzione di acqua calda sanitaria migliora quindi sostanzialmente l’economicità del sistema.

Figura 4 - Sistema di trigenerazione con l’impiego del calore per la sola produzione di acqua refrigerata

Figura 5 - I grafici si riferiscono ad un sistema di trigenerazione in cui tutto il calore disponibile, non utilizzato per il riscaldamento e l’acqua sanitaria, viene impiegato per la refrigerazione La figura 5 illustra l’incremento dell’efficienza del sistema nel caso in cui una frazione del calore inutilizzato per il riscaldamento e per l’acqua sanitaria venga impiegato per il raffrescamento. In pratica è poco probabile che tutto il calore recuperato dal motore possa essere completamente utilizzato. Poiché il calore disponibile può essere così definito: Hr = (Pe - Ep) er dove: Hr = calore di recupero utilizzabile Pe = energia primaria impiegata Ep = energia elettrica prodotta er = efficienza del sistema di recupero termico adottato ne segue che l’efficienza totale del sistema potrà essere rappresentata dalla seguente espressione: Te = Ep + Hr . qh+ Hr . qc . Ae

Pe

dove: Te = efficienza totale qh = frazione di calore impiegato per il riscaldamento (valore percentuale) qc = frazione di calore impiegato per il raffrescamento (valore percentuale) Ae = COP del processo ad assorbimento Alla formula sopra indicata bisognerà fare riferimento per un calcolo, sia pur approssimato, dell’efficienza complessiva e della convenienza economica dell’impianto, tenuto conto dei diversi valori delle varie forme di energia in gioco. Le macchine frigorifere ad assorbimento Le macchine frigorifere ad assorbimento prese in considerazione nel presente lavoro, sono quelle di limitata potenza, alimentate ad acqua calda, impieganti come fluido di lavoro una soluzione di acqua e bromuro di litio. Dette unità sono state concepite per l’utilizzo di calore a bassa temperatura, con applicazioni tipiche in processi industriali ed in sistemi di cogenerazione di limitata potenzialità. La temperatura dell’acqua calda richiesta dal ciclo ad assorbimento è compresa fra i 70 °C e 95 °C. L’acqua refrigerata è prodotta a 7 °C, particolarmente idonea, quindi, all’impiego in processi di raffreddamento tecnologico e di condizionamento dell’aria. Lo smaltimento del calore nel processo ad assorbimento è ottenuto con la circolazione di acqua nello scambiatore dell’assorbitore / condensatore. Le macchine, di produzione di serie, sono disponibili nelle seguenti potenze nominali frigorifere: 17,6 kW, 35 kW, 70 kW, 105 kW e 176 kW (corrispondenti a 5, 10, 20, 30 e 50 RT; 1 Refrigeration Ton - 1 RT = 3,5 kWf). Essendo gruppi modulari compatibili tra di loro possono essere installati in più unità per coprire diversi livelli di potenza. Nella tabella 1 vengono riportate le specifiche tecniche degli assorbitori presi in esame. L’utilizzazione del calore di recupero in un impianto di cogenerazione risulta la naturale applicazione di queste macchine. Le prestazioni di ogni singola unità vengono evidenziate dalle relative curve caratteristiche. Si riportano di seguito, in figura 6, quelle dell’unità di potenza frigorifera nominale pari a 105 kW, che ci serviranno per l’illustrazione dell’esempio appresso riportato. Le curve contemplano temperature di ingresso dell’acqua di raffreddamento rispettivamente di 27 °C, 29.5 °C, 31 °C e 32 °C. Per le stesse varranno le seguenti considerazioni, valide peraltro per tutta la gamma delle apparecchiature. Tenendo fissa la temperatura dell’acqua refrigerata prodotta, pari a 7 °C, la potenza frigorifera erogata è fortemente influenzata dalle temperature dell’acqua di raffreddamento o meglio di dissipazione e dalla temperatura dell’acqua di alimentazione. Si otterranno valori di potenza più elevati, infatti, diminuendo la temperatura dell’acqua di raffreddamento oppure aumentando quella di alimentazione. La temperatura dell’acqua di raffreddamento, che comunque non può scendere sotto il valore di 24 °C per evitare fenomeni di cristallizzazione della soluzione di lavoro, è dettata, nel caso di utilizzo di torri evaporative, dalla temperatura a bulbo umido dell’aria esterna, caratteristica questa della località di installazione. La temperatura dell’acqua di alimentazione non può eccedere, sulle unità considerate, i 95 °C, per motivi di sicurezza operativa, risultando la temperatura limite di progetto pari a 100 °C. Essa, peraltro, come sopra accennato, può scendere a valori molto bassi, scontando per contro forti penalizzazioni di potenza. Da ultimo è stato illustrato, sempre in figura 6, l’andamento del fattore di penalizzazione della potenza frigorifera per riduzione della portata nominale dell’acqua di alimentazione, fermi restando i rimanenti valori caratteristici di funzionamento. I valori ottenibili dai grafici illustrati possono essere utilizzati per ipotizzare differenti condizioni di lavoro della macchina, anche se i risultati ottenibili debbono essere considerati solo indicativi.

Tabella 1 - Specifiche tecniche degli assorbitori considerati

Modello WFC SC 5

WFC SC 10

WFC SC 20

WFC SC 30

WFC SC 50

Potenza frigorifera kW 17,6 35,2 70,3 105,6 175,8

Acq

ua re

frige

rata

Temperatura Ingresso °C 12,5 Uscita °C 7

Perdite di carico kPa 52,6 56,1 65,8 70,1 40,2 Pressione massima di lavoro kPa 588

Portata nominale l/s 0,77 1,53 3,06 4,58 7,64 Volume serpentine l 8 17 47 73 120

Acq

ua ra

ffred

dam

ento

Potenza dissipata kW 42,7 85,4 170,8 256,2 427

Temperatura Ingresso °C 31 Uscita °C 35

Perdita di carico kPa 38,3 85,3 45,3 46,4 41,2 Fattore sporcamento M2hr°K/kW 0,086

Pressione massima di lavoro kPa 588

Portata nominale l/s 2,55 5,1 10,2 15,3 25,5 Volume serpentine l 37 66 125 194 335

Acq

ua c

alda

Potenza assorbita kW 25,1 50,2 100 151 251

Temperatura Ingresso °C 88 Uscita °C 83 Range °C Minimo 70 – Massimo 95

Perdita di carico kPa 95,8 95,4 46,4 60,4 85,2 Pressione massima di lavoro kPa 588

Portata nominale l/s 1,2 2,4 4,8 7,2 12 Volume serpentine l 10 21 54 84 170

Alimentazione elettrica

Alimentazione elettrica 220V 1 fase 50Hz

400V 3 fasi 50Hz

Potenza assorbita W 48 210 260 310 590 Intensità di corrente A 0,22 0,43 0,92 1,25 2,6

Controllo Refrigerazione ON - OFF Dimensioni

Larghezza mm 594 760 1.060 1.380 1.785 Profondità mm 744 970 1.300 1.545 2.060 Altezza (compresa piastra di fissaggio / vite di livel.) mm 1786 1.983 2.116 2.130 2.223

Peso A vuoto kg 365 500 930 1.450 2.100 In esercizio kg 420 604 1.156 1.801 2.725

Rumorosità Livello sonoro dB(A) a 1 metro 46 46 49 46 57

Diametro tubazioni (A)

Circuito acqua refrigerata mm 32 40 50 50 80

Circuito acqua di raffreddamento mm 40 50 50 65 80

Circuito acqua calda mm 40 40 50 65 80

Armadio Impermeabile idoneo ad installazione all’aperto, dotato di pannellature di acciaio zincato verniciato color alluminio.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

65 70 75 80 85 90 95 100Temperatura di alimentazione acqua calda °C

Pote

nza

frigo

rifer

a er

ogat

a kW

Temperatura di ingresso acqua di raffreddamento

2 7 °C

2 9 .5 °C

3 1°C

3 2 °C

Standard pointUscita acqua refrigerata 7°C

a

0

50

100

150

200

250

65 70 75 80 85 90 95 100Temperatura di alimentazione acqua calda °C

Pote

nza

term

ica

asso

rbita

kW

Temperatura di ingresso acqua di raffreddamento

2 7 °C

2 9 .5 °C

3 1°C

3 2 °C

Standard pointUscita acqua refrigerata 7°C

b

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

0 20 40 60 80 100 120Variazione portata acqua calda %

Fatto

re d

i pen

aliz

zazi

one

della

pot

enza

ero

gata

Standard point. Uscita acqua refrigerata 7°C

Figura 6 - Curve caratteristiche di prestazione dell’assorbitore di potenza frigorifera nominale pari a 105 kW

c

Schema concettuale di impianto di trigenerazione In figura 7 è illustrato uno schema concettuale di impianto di trigenerazione che impiega un motore endotermico ed un assorbitore con distribuzione a 4 tubi. L’impianto è caratterizzato da due circuiti, quello primario al servizio del motore / alternatore, dotato di dissipatore di emergenza, e quello secondario di gestione dell’assorbitore e relativa torre evaporativa. I due circuiti sono interconnessi da uno scambiatore. All’avvio del motore viene azionata anche la pompa P5. Il liquido di raffreddamento del motore fluirà dallo scambiatore attraverso la valvola miscelatrice MV3 al motore e ritornerà quindi allo scambiatore. Qualora il sistema non chieda calore ed il liquido refrigerante ecceda il limite di temperatura prefissato (nell’ordine dei 90 °C) la valvola MV3 devierà parte dello stesso al dissipatore di emergenza. In tal modo verrà garantita la temperatura massima di ritorno dettata dal costruttore del motore.

Figura 7 - Schema concettuale di impianto con condensazione operata mediante torre evaporativa Allorché il liquido di raffreddamento del motore avrà incrementato la sua temperatura nello scambiatore di calore fino a 70 °C e sia richiesta acqua refrigerata, verranno azionate le pompe P3, P2 e P1 a servizio dei circuiti idraulici dell’assorbitore. L’acqua calda di alimentazione fluirà dallo scambiatore attraverso le valvole deviatrici MV2 e MV4 sino all’assorbitore e da questo ritornerà allo scambiatore. L’acqua refrigerata spinta dalla pompa P1 fluirà alle diverse utenze (centrale di trattamento aria, ventilconvettori od altro). Se è richiesto contemporaneamente calore, la valvola deviatrice MV1 verrà azionata allo scopo di convogliare l’acqua calda proveniente dall’assorbitore all’utenza termica. Nel caso di solo fabbisogno termico per riscaldamento, la valvola MV4 escluderà l’assorbitore. Qualora il motore venga posto fuori servizio per manutenzione od altro, la valvola MV2 provvederà a deviare tutto il fluido termovettore verso la caldaia ausiliaria, allo scopo di soddisfare comunque

l’utenza. La stessa, ovviamente, dovrà essere in grado di fornire l’acqua calda alle temperature e nelle quantità di progetto. Nello schema è prevista una torre evaporativa chiusa. Poiché la qualità dell’acqua ed il suo trattamento richiedono pur sempre una particolare attenzione, le torri chiuse offrono una soluzione idonea alla salvaguardia dell’assorbitore. Il sistema di regolazione Di seguito, con riferimento allo schema di figura 7, viene illustrato il sistema di controllo del funzionamento delle macchine. Nella tabella delle specifiche tecniche sono riportate le funzioni di regolazione ON-OFF. Nella modalità ON un termostato (WT1) posizionato sulla mandata dell’acqua refrigerata comanda, in funzione della temperatura di questa, la pompa dell’acqua calda di alimentazione. Le temperature standard di regolazione sono le seguenti: • avvio della pompa dell’acqua calda alla temperatura dell’acqua refrigerata in uscita dalla

macchina di 10,5 °C; • arresto della stessa pompa alla temperatura dell’acqua refrigerata in uscita di 6,5 °C.

Le temperature sopra indicate (set point) possono essere modificate, senza peraltro alcuna possibilità di cambiamento del differenziale di temperatura delle stesse. Questa caratteristica permette di impostare sulle unità una regolazione a step control fissando differentemente in cascata i set point delle singole macchine in installazioni di più unità combinate; l’utilizzo dei gruppi può così essere modulato in funzione delle variazioni del carico. Per la refrigerazione la macchina richiede l’operatività della pompa P1 dell’acqua refrigerata, della pompa P2 dell’acqua di raffreddamento e della pompa P3 dell’acqua calda di alimentazione. Nel normale funzionamento la pompa P3 dell’acqua calda di alimentazione e la pompa P2 dell’acqua di raffreddamento operano comandate da un termostato (WT1), posizionato sull’uscita dell’acqua refrigerata. Di conseguenza se la temperatura dell’acqua refrigerata si abbassa sino a valori di

Figura 8. - Impianto di trigenerazione con assorbitore utilizzato per freddo di processo dalla A. Gandola & C - Ponte San Marco, Brescia, azienda di produzione di cioccolato. Potenza elettrica 200 kW, termica 280 kW, frigorifera 105 kW.

6,5 °C o meno, le pompe P2 e P3 vengono disattivate. La pompa P1 dell’acqua refrigerata, viceversa, rimane operativa e di conseguenza provvede alla domanda variabile del sistema di climatizzazione. Se la temperatura dell’acqua refrigerata mossa dalla pompa P1 sale a 10,5 °C le pompe P2, P3 si riavviano immediatamente. L’operatività della macchina verrà così pienamente ristabilita. Può quindi affermarsi che l’unità in realtà non è mai stata messa fuori servizio dal termostato (WT1); essa è stata semplicemente esclusa dall’alimentazione, assecondando il carico di refrigerazione richiesto dal sistema. Con la macchina fuori servizio OFF, con segnalazione STOP sul pannello di controllo della CPU, anche la pompa P1 cessa di operare. Tale stato consiste ovviamente nella completa inattività di funzionamento dell’unità.

Modello PMS 6/65 ICT 3-63 ICT 4-54 ICT 4-66 ICT 4-59 Potenza resa kW 42,7 85,4 (51,2) 171 256 428

Acqua

Temperatura Ingresso °C 35 Uscita °C 31

Portata nominale l/s 2,55 5,12 10,2 15,3 25,5 Perdita di carico kPa 4 2,1 17,9 17,9 22.1 Bulbo umido °C 26 26 26 26 26 Acqua evaporata max l/m 1,11 2,12 4,5 6,7 11,2

Aria

Ventilatori n° 1 1 1 1 2

Potenza assorbita kW 0,55 0,7 (0,15) 1,5 2,2 2 x 1,5

Portata aria (max) mc/s 1,19 2,32 4,3 6,3 9,3 Alimentazione Elettrica 400V 3 fasi 50Hz Motore 4 poli 4/8 poli 4 poli 4 poli 4 poli

Dimensioni

Larghezza mm 800 914 1216 1826 2731 Profondità mm 800 921 1226 1226 1226 Altezza mm 2110 1880 2312 (2414) 2617 (2719) 2616

Peso A vuoto kg 75 235 320 (365) 575 (620) 853 In esercizio kg 180 400 685 (730) 1085 (1130) 1592

Rumorosità Livello sonoro dB(A) a 3 metri in campo libero rilevato sulla sommità 55,3 a 10 m 69 (62)* 76 (60)** 79 (68)** 84 (72)**

a 1,5 m

Diametro tubazioni

Ingresso mm 50 80 100 100 100 Uscita mm 50 80 100 100 100 Reintegro mm 20 25 25 25 25 Troppo pieno mm 15 50 50 50 50 Scarico mm 20 50 50 50 50

Finiture

Pacco di scambio PVC

Rampa distribuzione acqua PVC

Ugelli spruzzatori acqua PP ABS ABS ABS ABS

Separatori di gocce PVC

Bacino Vetroresina Acciaio zincato Z725

Acciaio zincato Z725

Acciaio zincato Z725

Acciaio zincato Z725

Pannelli di rivestimento Vetroresina Acciaio zincato Z725

Acciaio zincato Z725

Acciaio zincato Z725

Acciaio zincato Z725

Ventilatore assiale Acciaio zincato Alluminio

Nota *In parentesi valori in bassa velocità del ventilatore per unità ICT 3- 63 **In parentesi valori con l’adozione di ventilatore a bassa rumorosità per unità ICT 4-54, ICT 4-66 e ICT 4-59

Tabella 2. Specifiche tecniche delle torri evaporative considerate

Lo smaltimento del calore Come sopra accennato, per la corretta funzionalità della macchina è necessario smaltire in ambiente esterno una quantità di calore somma di quello di alimentazione della macchina stessa, più quello assorbito dall’ambiente da refrigerare. Nel caso dell’unità in esame WFC-SC 30 la potenza da dissipare risulterà pari a 256,6 kW somma di quella di alimentazione pari a 150,6 kW e di quella assorbita dall’ambiente pari a 105 kW. Per il rigetto del calore generato negli assorbitori, che utilizzano quale fluido di lavoro una miscela di acqua e bromuro di litio, sono normalmente impiegate torri evaporative. La loro adozione è dovuta principalmente al basso livello delle temperature di smaltimento imposto dall’assorbitore (31-35 °C). Il funzionamento delle torri evaporative è basato sull’utilizzazione del calore latente di evaporazione dell’acqua. Mettendo a contatto nella torre una portata d’acqua, finemente suddivisa, con una corrente d’aria, una piccola quantità di acqua viene assorbita per evaporazione dalla corrente d’aria, sottraendo il suo calore latente di evaporazione all’acqua restante.

L’acqua uscente dalla torre sarà appena un po’ meno in quantità, ma sensibilmente più fredda di quella inizialmente entrante, ed il calore sottratto, come calore latente di evaporazione, risulterà disperso nell’ambiente, sotto forma di vapore acqueo contenuto nella corrente d’aria uscente, la cui umidità sarà, pertanto, aumentata rispetto all’aria entrante, normalmente sino alla saturazione. Il calore sottratto all’acqua non dipende dalla temperatura a bulbo secco dell’aria entrante, ma solamente da quella a bulbo umido. Ciò risulta importante in quanto, per umidità relativa inferiore al 100%, la temperatura a bulbo umido è inferiore a quella a bulbo secco (ad esempio con bulbo secco di 32 °C ed umidità relativa pari al 52%, il bulbo umido è solo a 24 °C) e nei processi di raffreddamento ci si può avvicinare a temperature sensibilmente inferiori rispetto a quelle ottenibili utilizzando sistemi a secco.

Figura 9. Società Metropolitana Acque, Torino - Assorbitori funzionanti ad acqua calda, ricavata dacogeneratore, di potenza frigorifera complessiva pari a 140 kW. Mediante il loro impiego si provvede alraffreddamento del biogas prodotto nei digestori.

La caratteristica peculiare delle torri evaporative è che il raffreddamento è ottenuto a spese di un modesto consumo d’acqua (qualche % della portata in circolo), ma con un consumo di energia ridotto rispetto ad un equivalente raffreddamento ad aria. Il consumo d’acqua in una torre evaporativa è dato dalla somma di quello per evaporazione, di quello per trascinamento delle gocce d’acqua nell’aria uscente (di solito nell’ordine dello 0,002% della portata d’acqua circolante) e di quello di spurgo, variabile in funzione della qualità dell’acqua utilizzata, con valori compresi fra il 30 ed il 100% del consumo d’acqua per evaporazione. Per quanto riguarda lo spurgo va precisato quanto segue. La continua evaporazione dell’acqua provoca un progressivo aumento, nell’acqua rimasta, della concentrazione di sali ed altre impurità, anche di quelle assorbite dall’aria ambiente. Se non controllata, la concentrazione nell’acqua di ricircolo di sali ed altri solidi disciolti aumenta molto rapidamente provocando incrostazioni depositi e corrosioni, che pregiudicano il corretto funzionamento e la durata delle apparecchiature utilizzate. Per limitare l’aumento di dette concentrazioni occorre effettuare uno spurgo, vale a dire uno spillamento continuo realizzato a mezzo di una saracinesca posta possibilmente sulla tubazione di entrata dell’acqua nella torre. Nella tabella 2 sono riportate le specifiche tecniche delle torri evaporative da utilizzare in accoppiamento agli assorbitori considerati nel presente lavoro. Allo scopo di fornire un’idea dei valori in gioco, varrà segnalare che per l’assorbitore WFC-SC 30, preso in esame, i valori massimi relativi ai consumi d’acqua risultano i seguenti: per evaporazione: 402 l/h; per trascinamento: 1 l/h; per spillamento: 402 l/h (valore massimo); per un totale massimo quindi di 805 l/h. Compatibilità delle macchine Le varie considerazioni fatte finora presuppongono che l’impianto di trigenerazione sia stato ben studiato per la sua specifica applicazione e che le diverse macchine adottate siano tra loro perfettamente compatibili; in particolare per quanto riguarda gli assorbitori, siano stati verificati gli intervalli di temperatura e le portate d’acqua utilizzate. Un’ attenta progettazione dell’impianto deve mirare ad un sostanziale recupero del calore disponibile; ciò è particolarmente necessario allorché questo viene per la massima parte impiegato nell’assorbitore, la cui alimentazione e le cui prestazioni sono ad esso strettamente correlate. Una disattenta valutazione delle portate e della compatibilità delle temperature possono rendere il sistema parzialmente inefficace. Frequentemente, il recupero del calore da un motore è effettuato mediante la circolazione di acqua con portate atte ad ottenere un salto termico di 20 °C, con mandata a 90 °C e ritorno a 70 °C. Se si ipotizza che nel circuito primario, quello del motore, sia disponibile una temperatura massima di 90 °C, ne consegue che anche nel circuito secondario, quello di alimentazione dell’assorbitore, è teoricamente disponibile la stessa temperatura. Qualora poi l’assorbitore fosse in grado di sfruttare tutto il salto termico provvisto dal primario, ne risulterebbe un pieno utilizzo della potenza termica recuperata dal motore. Va tenuto presente, per contro, che gli assorbitori normalmente non riescono a lavorare con un differenziale di temperatura così ampio e comunque qualora operino con temperature di alimentazione inferiori a quelle di progetto, le loro prestazioni vengono sostanzialmente penalizzate (vedi figura 6). Tutto ciò si traduce praticamente in un parziale utilizzo della potenza termica erogata dal primario. Il calore inutilizzato può naturalmente essere impiegato altrove o smaltito nel radiatore di emergenza.

Tuttavia questo è calore che può essere stato considerato completamente disponibile nel progetto della macchina ad assorbimento e, come sopra accennato, se la quantità di calore recuperata dal motore non è largamente eccedente quella richiesta dall’assorbitore, ne risulterà una cospicua riduzione della potenza frigorifera ottenibile. La massima potenza ricavabile si registra in ogni caso allorché la portata del circuito secondario risulta la stessa del circuito primario. L’esempio appresso riportato chiarirà meglio tutto quanto sopra asserito. Esempio di valutazione delle prestazioni I valori considerati nell’esempio sono individuati sulle curve caratteristiche di prestazione illustrate in figura 6 con i seguenti simboli: - valori di funzionamento di targa o nominali. - valori differenti da quelli di targa, contemplati nell’esempio. Vanno rammentate peraltro le formule seguenti. Bilancio termico della macchina

Pd = Pa + Pf (1) (kW) dove: Pd = potenza termica dissipata in atmosfera (kW) Pa = potenza termica di alimentazione (kW) Pf = potenza frigorifera prodotta, equivalente alla potenza termica assorbita dall’ambiente da climatizzare (kW) Potenza termica scambiata in un circuito idraulico

P = C ΔT Q (2) dove: P = potenza termica scambiata (kW) C = calore specifico dell’acqua, pari a 4,187 (kWs / °C l) ΔT = differenziale di temperatura dell’acqua (°C) Q = portata volumetrica dell’acqua (l/s) Si consideri un motore che, funzionando in assetto cogenerativo, produca a pieno carico 180 kW termici, con temperatura di mandata dell’acqua a 90°C e di ritorno a 70°C. La portata dell’acqua nel circuito relativo risulterà in base alla formula (2) la seguente:

Q = P

= 180 kW = 2,1 l/s ΔT x C 20°C x 4,187 kW s / °C l

Per la produzione di acqua refrigerata si vogliano utilizzare apparecchiature ad assorbimento della serie proposta. Si valuti allo scopo l’adozione di un assorbitore da 105 kW di potenza frigorifera (WFC-SC 30), le cui caratteristiche prestazionali siano quelle illustrate nelle curve riportate nella figura 6. Si supponga di alimentare l’assorbitore con l’acqua ricavata dal motore, adottando un’uguale portata. Questa pari a 2,1 l/s risulta il 29% di quella nominale dell’assorbitore considerato, stabilita a 7,2 l/s, corrispondente quindi ad un fattore di penalizzazione della potenza erogata di 0,73 (valore evidenziato dal punto c nel grafico di figura 6). Avendo fissato la temperatura dell’acqua di alimentazione dell’ assorbitore a 90°C, ipotizzata una temperatura d’ingresso allo stesso dell’acqua del circuito di condensazione a 29,5 °C, si otterrà dalle curve caratteristiche di prestazione rispettivamente : Pf potenza frigorifera prodotta = 118,6 kW (punto a) x 0,73 = 86,6 kW Pa potenza termica di alimentazione = 174,9 kW (punto b) x 0,73 = 127,7 kW Il salto termico dell’acqua nel circuito di alimentazione per la formula (2) risulterà:

ΔT = P

= 127,7 kW = 14,5 °C Q x C 2,1 l/sec x 4,187 kW s / °C l

Operando in tal modo solo 127,7 kW dei 180 kW disponibili, il 70% circa, saranno utilizzati proficuamente nel processo di refrigerazione. Conseguentemente il restante 30% dovrà essere impiegato in altro modo o semplicemente dissipato in atmosfera. Qualora si volesse utilizzare lo stesso per produrre ulteriore refrigerazione si dovrà impiegare un secondo assorbitore, naturalmente di potenzialità ridotta rispetto a quello sopra indicato, ad esempio di 70 kW nominali (WFC-SC 20), da installare in serie al precedente. Questo verrà alimentato con acqua a 75,5 °C , essendo: Ta = 90 °C - 14,5 °C = 75,5 °C La portata dell’acqua di alimentazione risulterà ovviamente la stessa, Q = 2,1 l/sec. Procedendo come sopra, tramite le curve di prestazione della macchina considerata, oppure utilizzando un apposito programma computerizzato, si otterrà rispettivamente (vedi scheda di prestazione sotto riportata): Pf potenza frigorifera prodotta = 44,3 kW x 0,83 = 36,8 kW Pt potenza termica di alimentazione = 57,1 kW x 0,83 = 47,4 kW

Il differenziale di temperatura dell’acqua di alimentazione risulterà per la (2) pari a 5,5°C. Questi aggiunti ai 14,5 °C precedenti daranno i 20 °C richiesti. La potenza termica totale utilizzata ammonterà a 175,1 kW sui 180kW disponibili e produrrà un effetto frigorifero di 123,4 kW, con un COP complessivo pari a 0,7. Ovviamente accanto a queste valutazioni puramente tecniche, dovrà essere presa in considerazione la convenienza economica al completo utilizzo dell’energia termica disponibile, dati i bassi valori di ritorno sugli investimenti richiesti dall’adozione del secondo assorbitore. Va infine sottolineato, ancora una volta, come valori di funzionamento per condizioni diverse da quelle di targa possono essere ricavati dalle curve caratteristiche di prestazione oppure, su richiesta all’indirizzo e-mail maya@maya-airconditioning.com, dalle schede di prestazione del tipo sotto illustrato. Va peraltro rammentato che i valori così ottenuti debbono essere considerati solo indicativi e come tali, pertanto, utilizzati. Scheda di prestazione WFC SC 20 temperatura acqua calda di alimentazione 75,5 °C portata acqua calda di alimentazione 2,1 l/s temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 29,5 °C

Portata 10,2 l/s Temperatura ingresso 29,5 °C Perdita di carico (nominale) 45,3 kPa Potenza da dissipare 84,2 kW

Portata 3,05 l/s Temperatura uscita 7 °C Perdita di carico (nominale) 66,2 kPa Potenza frigorifera erogata 36,8 kW

Portata 2,1 l/s Temperatura ingresso 75,5 °C Perdita di carico 7,8 kPa Potenza termica assorbita 47,4 kW ∆t acqua calda di alimentazione 5,5 °C

Per ulteriori informazioni contattare: Maya S.p.A. Via Enrico Falck, 53 20151 Milano MI Tel: +39 02 290 60 290 - Fax: +39 02 290 04 036 Email: maya@maya-airconditioning.com www.maya-airconditioning.com

Milano 8/2017