I QUADERNI DEL FREDDO - teknologieimpianti.it · I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 3 –Il Ciclo...

1

I QUADERNI DEL FREDDOMateriale Didattico per il Conseguimento del

Patentino per il Trattamento dei Gas Effetto Serra

LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione

I QUADERNI DEL FREDDOLEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione

wwww.teknologieimpianti.it2

Parte 1I Processi di Refrigerazione

Chiariamo i concetti di base…La refrigerazione è un aspetto particolare della trasmissione del calore; essa

coinvolge la produzione e l'utilizzazione di temperature al di sotto di quella

ambiente.

Il raffreddamento delle sostanze richiede che il loro calore venga trasferito,

attraverso una caduta di temperatura, a mezzi solidi o liquidi o gassosi che si

trovano naturalmente oppure sono stati portati artificialmente a una temperatura

più bassa.

Nelle applicazioni pratiche presenta un interesse rilevante il raggiungimento di

temperature più basse per il fluido (chiamato il refrigerante) che circolando

continuamente, asporta calore attraverso due processi:

1. espansione del fluido refrigerante attraverso una caduta di pressione in una

strozzatura, (valvola di espansione o laminazione) senza produzione di lavoro

esterno;

2. espansione del fluido attraverso un salto di pressione in un espansore con

produzione di lavoro esterno.

Esempio schematico di un

ciclo frigorifero a

compressione con unità

motocondensate e unità

di raffreddamento.

2




Classificazionedellemacchine frigorifere

I sistemi che realizzano questi due diversi processi prendono nome rispettivamente

di:

1. Compressione di vapore in quanto l'espansione di un liquido saturo deve

venir preceduta dalla compressione del suo vapore. L'evoluzione di questo ciclo

avviene prevalentemente nella regione liquido-vapore;

2. Compressione di gas in quanto l'espansione del gas deve venir preceduta dalla

compressione del gas medesimo. L’evoluzione di questo ciclo avviene

completamente in fase gassosa.

Possiamo quindi classificare le macchine frigorifere nel seguentemodo:

A. A compressione di vapore

B. A compressione di gas

C. Ad assorbimento

D. Ad effetto termoelettrico

E. A termocompressione




Ciclo Frigorifero ElementareLa refrigerazione meccanica è resa possibile da un appropriato utilizzo

delle leggi che governano temperatura, pressione e calore latente di

vaporizzazione.

La forma più elementare di un sistema frigorifero è quella riportata nella

figura che si può vedere qui di fianco.

Il fluido frigorigeno evapora nella camera E (evaporatore), assorbendo calore

dall'aria dell'ambiente il calore necessario per evaporare.

Il gas passa attraverso il tubo A e raggiunge la camera C (condensatore) dove un

getto di acqua fredda versata sulle pareti esterne della camera assorbe il

calore latente del gas, condensandolo e ritrasformando in liquido.

Il fluido poi, percorrendo la tubazione P ritorna nella camera E (evaporatore) e il

ciclo ricomincia nuovamente.

E

C

E= Evaporatore

C= Condensatore

Ql

Qs

A P

3




Ciclo Frigorifero ElementareLo schema della figura precedente illustrava l'utilizzo del calore latente per

assorbire e restituire calore.

Il sistema infatti a livello teorico in natura potrebbe anche funzionare ma

risulterebbe praticamente inutilizzabile visti i tempi di risposta e le inerzie che lo

stesso avrebbe per poter compiere le fasi di vaporizzazione e condensazione.

Risulta quindi necessario studiare un mezzo (sistema) che permetta al gas di

condensarsi ad una temperatura più elevata rispetto al punto di ebollizione

nell'evaporatore.

Per ottenere questo risultato generalmente si opera tramite l'aumento della

pressione nella camera C. che provoca il conseguente aumento del punto di

ebollizione del fluido frigogeno e di conseguenza porta anche ad un aumento

della sua temperatura di condensazione.

Per ottenere questo risultato in tutti i cicli di questo tipo si fa ricorso ad un

Compressore qui indicato con la lettera (G).

E

C

E= Evaporatore

C= Condensatore

Ql

Qs

A

P

G




Ciclo Frigorifero ElementareA questa pressione superiore il gas condensa ad una temperatura

più elevata e, di conseguenza, può essere utilizzata per la

condensazione acqua ad una temperatura più alta rispetto al caso

illustrato prima.

Poiché è necessario mantenere un'alta pressione nel condensatore

C, viene installato un detentore (detto anche laminatore o

termostatica) L sulla tubazione P del fluido liquido.

Questo detentore permette il passaggio verso l’evaporatore E della

quantità di liquido necessario al buon funzionamento del sistema.

Questo aumento di pressione, come vedremo nella slide seguente

avviene in un tempo talmente breve da considerare la trasformazione

teoricamente come adiabatica, ovvero senza alcun scambio di calore

e/o lavoro con l’esterno.

E

C

E= Evaporatore

C= Condensatore

Ql

Qs

A

P

GL

4




Parliamodi Laminazione…Avviene quando la presenza di una valvola parzialmente aperta (parzializzazione) oppure la strozzatura creata

da un capillare in un condotto portano a una caduta di pressione del gas che si muove con moto stazionario e

uniforme.

In molti casi questo processo avviene in un tempo talmente breve e in uno spazio talmente ridotto che non vi

è tempo sufficiente né una sezione sufficientemente grande per scambiare elevate quantità di calore; il

processo può perciò essere considerato adiabatico.

Dal momento che non si produce lavoro (le pareti del condotto sono fisse), non vi è variazione di energia

potenziale e neppure calore scambiato. Questo fa si che in molti casi l'incremento di energia cinetica sia

trascurabile risulta allora

H1 = H2

Questa equazione ci dice che l'entalpia finale H2 è, in una laminazione, uguale all'entalpia iniziale H1. La

trasformazione è perciò isoentalpica ed è anche irreversibile, a causa delle forti dissipazioni generate dalla

strozzatura nel moto del fluido.



Parte 2Ciclo frigorifero a compressione

Ciclo Frigorifero a Compressione - FunzionamentoIl ciclo frigorifero a compressione è utilizzato nella maggior parte delle macchine frigorifere e dei

condizionatori per scopi di benessere e per utilizzi nel campo della refrigerazione.

Questo ciclo produce un trasferimento di calore dal fluido da raffreddare (acqua, soluzioni incongelabili o aria)

verso l'atmosfera o l'acqua proveniente da una torre di raffreddamento o disponibile in natura (pozzo, fiume,

lago) dove possa venire smaltito liberamente.

Il trasferimento del calore avviene all'interno di un circuito frigorifero

nel quale circola un fluido refrigerante, per azione di un compressore.

Il ciclo frigorifero di base risulta composta da:

• evaporatore;

• compressore;

• condensatore;

• organo di laminazione.

5




Nell'evaporatore il refrigerante assorbe calore dall'aria dell'ambiente da raffreddare eviene portato a ebollizione a bassa temperatura.

In questa fase si produce la completa vaporizzazione del liquido che raccoglie il calorecontenuto nell’ambiente da raffreddare.

Il refrigerante sotto forma di gas esce dall' evaporatore alla temperatura di ebollizionevenendo sottoposto a un leggero aumento di temperatura per raggiungere lacondizione di surriscaldamento. Ciò è necessario per fare in modo che l'ebollizione siacompleta e non rimangano gocce di liquido che possano essere trascinate verso ilcompressore (fase di surriscaldamento).

Allo stato di gas surriscaldato viene aspirato dal compressore e al suo interno subisceun aumento di pressione e di temperatura. Inoltre raccoglie il calore del motoreelettrico che aziona il compressore stesso, raffreddandolo.




Ciclo Frigorifero a Compressione - Funzionamento

Il gas esce dal compressore ad alta temperatura e ad alta pressione e viene diretto entro la batteria del

condensatore. Qui il gas refrigerante caldo viene dapprima raffreddato e poi condensato passando

dallo stato di vapore surriscaldato allo stato liquido. Il calore che aveva assorbito dall'ambiente da

raffreddare, più l'equivalente termico del lavoro di compressione, viene smaltito nell'atmosfera. Il

refrigerante esce quindi dal condensatore allo stato di liquido caldo a pressione elevata.

Dal condensatore esso raggiunge l'organo di laminazione. Quest'ultimo può essere una valvola di

espansione termostatica o una valvola di espansione elettronica, o un capillare, o un orifizio a sezione

controllata. Indipendentemente dal tipo, l'organo di laminazione presenta una certa perdita di carico

verso il refrigerante liquido che lo attraversa; la pressione del liquido a valle è sensibilmente minore di

quella a monte, pertanto il liquido stesso si espande e passa in parte allo stato di vapore a spese della

frazione rimasta liquida che in tal modo si raffredda e raggiunge la temperatura di evaporazione. In

realtà, attraverso l'organo di laminazione passa una miscela di refrigerante allo stato di vapore e di

liquido. Entro l'evaporatore si completa l’evaporazione del refrigerante stesso per effetto del calore

sottratto all'aria (o all'acqua) che lo attraversa e che viene raffreddata.

6




Ciclo Frigorifero a Compressione– I Livelli di Pressione

II circuito frigorifero tipico delle macchine a compressione risulta suddiviso in due zone in funzione della

pressione al suo interno: una zona di bassa pressione, fredda, e una zona di alta pressione, calda.

- La zona fredda, a bassa pressione, comprende la parte di valvola termostatica (o dispositivo di

laminazione) dove il refrigerante liquido inizia a espandersi, l'evaporatore, la linea di aspirazione e il lato di

aspirazione del compressore.

- La zona calda, ad alta pressione, comprende il lato eli mandata del compressore, la linea che unisce il

compressore al condensatore, il condensatore e la linea del refrigerante liquido fino all' imbocco del

dispositivo di laminazione.

Il calore da smaltire nel condensatore è maggiore di

quello sottratto all’evaporatore di circa il 25-35% Questa

maggiorazione è dovuta al cosiddetto "equivalente

termico del lavoro di compressione" . Per fare un esempio,

un gruppo refrigeratore d'acqua con 100 kilowatt dovrà

smaltire al condensatore un quantitativo di calore

maggiore del 25-:-30% pari cioè a 125-:-130 kilowatt.




Ciclo Frigorifero a Compressione– L’efficienza energetica

L'efficienza energetica di un ciclo frigorifero (cioè il rapporto tra la sua potenza frigorifera resa e la potenza

elettrica assorbita dal compressore) è influenzata da due condizioni:

1) la temperatura (pressione) di evaporazione;

2) la temperatura (pressione) di condensazione.

In generale, quanto più alta è la temperatura di evaporazione e quanto più bassa è la temperatura di

condensazione, tanto maggiore risulta l'efficienza del ciclo frigorifero.

In tali condizioni la potenza frigorifera aumenta e la potenza elettrica assorbita diminuisce.

Invece, al ridursi della temperatura di evaporazione e all'aumentare di quella di condensazione le prestazioni

del ciclo peggiorano.

7




Ciclo Frigorifero a Compressione– L’efficienza energetica

Nelle condizioni di lavoro tipiche per la climatizzazione si può ritenere con buona approssimazione che:

- ciascun aumento di 1 °°°°C della temperatura di evaporazione produce un aumento dell'efficienza energetica

tra il 2/3%. All'opposto, per ciascuna diminuzione di 1°°°°C l'efficienza energetica si riduce del 2/3%;

- ciascuna riduzione di l °°°°C della temperatura di condensazione produce un aumento tra 1,5-2%dell

'efficienza energetica, e viceversa.

Nelle macchine con condensatori ad aria, la temperatura di condensazione risulta di norma maggiore di 10-15°C rispetto alla temperatura a bulbo asciutto dell'aria esterna.

Pertanto, con aria esterna a 32°C, la temperatura di condensazione risulta compresa tra 42 e 47°C, secondo le caratteristiche della macchina.




Gli Aspetti termodinamici – Le Trasformazioni

L’entalpia è spesso chiamata anche calore totale che rappresenta l’energia posseduta da

una determinata sostanza.

Questa grandezza così come tutte le altre grandezze presenti in un ciclo termodinamico possono essere

rappresentate in una serie di grafici tramite rette o curve che ne caratterizzano l’andamento.

Da qui possiamo dire che un gas subisce una trasformazione termodinamica quando passa da uno stato

iniziale, caratterizzato da una pressione un volume e una temperatura, ad uno stato finale caratterizzato da

volume pressione e temperatura che possono anche essere diversi.

8




Gli Aspetti termodinamici – Le trasformazioni

Questo fenomeno può essere rappresentato tramite una curva di

trasformazione.

Le trasformazioni possono essere:

1. trasformazione a volume costante (isometrica o isocora);

2. trasformazione a pressione costante (isobara);

3. trasformazione a temperatura costante (isoterma);

4. trasformazione senza adduzione o sottrazione di calore dall'esterno

(adiabatica);

5. Trasformazione ad Entropia costante (isoentropica)

6. Trasformazioni ad Entalpia costante (isoentalpica)



IL CICLO DI CARNOT

Un ciclo termodinamico è una

successione di trasformazioni

successive subite da un gas al termine

delle quali esso ritorna nelle sue

condizioni di partenza.

Il primo e il più noto dei cicli studiati è

quello di Carnot: esso è racchiuso tra

due isoterme reversibili e due

adiabatiche reversibili.

In esso, un gas, preso nelle condizioni

iniziali, 1, viene compresso adiabatica

mente fino alle condizioni 2.

Il gas compresso viene fatto quindi

espandere isotermicamente (dandogli

calore durante l'espansione): il lavoro

liberato è misurato dall'area a c 3 2.


Gli Aspetti termodinamici – Il Ciclo di Carnot

9



IL CICLO DI CARNOT

Raggiunto il punto 3 il gas continua ad

espandersi adiabaticamente, fornendo il

lavoro rappresentato dall'area cd 4 3.

Infine il gas, nelle condizioni 4, viene

ricompresso isotermicamente fino al

punto iniziale 1:

il lavoro speso è rappresentato dall'area b

d 4 1.


Gli Aspetti termodinamici – Il Ciclo di Carnot




Gli Aspetti termodinamici – Il Ciclo Inverso

Il ciclo frigorigeno è un ciclo inverso, al contrario di quello che avviene

nel ciclo diretto dove l'obiettivo è quello di produrre lavoro, il ciclo

inverso è un ciclo percorso in senso antiorario che assorbe lavoro,

prelevando il calore ql, dalla sorgente inferiore e cedendo il calore

qs alla sorgente superiore.

L'area del ciclo inverso rappresenta un lavoro negativo, fatto cioè

dall'esterno sull'unità di massa del fluido durante il ciclo.

Un ciclo inverso viene realizzato collegando tra loro, in un circuito chiuso

lungo il quale circola il fluido di lavoro passando attraverso quattro

trasformazioni fondamentali.

1- 2 vapore saturo a bassa pressione, entra nel compressore e subisce

una compressione adiabatica reversibile (compressione isoentropica);

l

ql

qs = ql + l

4’ 1’

1 2

34

10




Gli Aspetti termodinamici – Il Ciclo Inverso

2 - 3 il calore qs viene ceduto all'ambiente alla temperatura superiore in

un processo di condensazione a pressione costante attraverso uno

scambiatore di calore, il condensatore, da cui il fluido di lavoro esce come

liquido saturo;

3 - 4 un processo di laminazione adiabatica, che viene realizzato in un

organo di espansione, la valvola di laminazione, nel quale il fluido passa

dalla pressione più alta alla pressione più bassa, diminuendo

contemporaneamente la propria temperatura e conservando l'entalpia,

che aveva inizialmente (espansione isoentalpica);

4 - 1 il calore ql, viene ricevuto dall'ambiente a temperatura inferiore in

un processo di evaporazione a pressione costante attraverso uno

scambiatore di calore, l'evaporatore, in modo da chiudere il ciclo.

l

ql

qs = ql + l

4’ 1’

1 2

34




Gli Aspetti termodinamici – Coefficientedi effetto frigogeno

Le prestazioni di un ciclo inverso frigorigeno vengono espresse attraverso il

coefficiente di effetto frigorigeno Cf definito da:

Cf = ql/l

dove ql, è chiamato effetto frigorigeno, rappresenta il calore massico sottratto

alla sorgente a temperatura inferiore dall'evaporatore ed è pari a:

ql = h1 – h4

Ed l è il lavoro speso nel ciclo e corrisponde al lavoro interno li fornito dal

compressore, dato dalla relativa differenza di entalpia:

l = h2’ – h1

11





Ricordiamo poi in base al primo principio della termodinamica che il lavoro l fornito

è legato al calore ceduto dal condensatore qs e il calore sottratto nell'evaporatore

ql dalla relazione:

l = qs – ql

da cui

qs= ql + ldove qs è la differenza di entalpia per desurriscaldare e successivamente

condensare il vapore nel tratto 2 – 3

qs = h2 – h3





Ricordiamo infine che la potenza P si ottiene come prodotto della portata in

massa del fluido di lavoro m per il caloremassico q:

P = m * q

relazione che viene utilizzata non tanto per ricavare la

potenza, di solito assegnata, quanto per ottenere la portata di

fluido di lavoro necessaria per soddisfare le richieste di un dato

impianto.

12




I Diagrammi EntalpiciLa rappresentazione dei cicli inversi

viene fatta di solito nel diagramma

pressione p (in ordinate) ed entalpia h

(in ascisse).

La Figura mostra lo scheletro di un

diagramma p_h con riportate la curva

limite che racchiude la regione

liquidovapore, insieme alla posizione

del punto critico, e le linee principali

caratterizzate dalla costanza di titolo x,

volume massico v, temperatura T,

entropia s, pressione p (quest'ultima

all'interno della regione liquido-

vapore si sovrappone alla linea a T

costante); naturalmente i segmenti di

retta verticali sono le isoentalpiche.




I Diagrammi Entalpici

1. La zona a sinistra della Campana ed

esterna ad essa rappresenta la fase

Liquida.

2. La zona all'interno della Campana

rappresenta le condizioni in cui ci sono

contemporaneamente le fasi liquida e

vapore

3. L'apice della Campana rappresenta il

punto critico. AI di sopra di questo

punto non vi è più distinzione tra fase

liquida e fase gassosa causa i valori che

assume la densità del liquido.

4. La zona a destra della campana

rappresenta la fase gassosa o del vapore

saturo secco.

1

Liquido

2

Liquido e Vapore

4

Gas o Vapore

Saturo Secco

3

Punto Critico

13





5. Liquido Saturo. La linea a sinistra del

punto critico rappresenta per ogni

singolo valore di pressione l’inizio della

fase di vaporizzazione (Punto di

ebollizione).

6. Vapore Saturo. La linea a destra del

punto critico rappresenta per ogni

singolo valore di pressione il punto di

termine della trasformazione liquido-

gas.

7. Curve Isotitolo. Rappresentano, ad

una data pressione e in un determinato

punto, la percentuale di liquida e di

vapore che caratterizzano quella fase di

una determinata sostanza.

5

Liquido Saturo

7

Curve Isotitolo

6

Vapore Saturo

3

Punto Critico





8. Isoterme. Linee che rappresentano la

temperatura costante possiedono per

un azeotropico queste caratteristiche:

Parte A: Nella zona liquido hanno un

andamento quasi verticale dato dalla non

comprimibilità del liquido stesso. Questo indica

che basta un piccolo aumento di temperatura

perché, ci sia un deciso aumento di pressione.

Parte B: Nella zona interna della campana ad

una pressione costante anche la temperatura

risulta essere costante non cambia. Questo è

messo in rilievo dall'andamento orizzontale

delle isoterme.

Parte C: Nella zona del vapore le isoterme

assumono andamento curvilineo. Diminuendo

la temperatura, sempre nella ipotesi di volume

costante, diminuisce in modo abbastanza

brusco anche la pressione.

A

C

B

Stato Azeotropico

14





Glide: Si noti che nel caso di un

refrigerante zeotropo (esempio il 407c),

le isoterme, all'interno della campana

non sono orizzontali ma inclinate.

Maggiore è l’inclinazione maggiore è

l’effetto Glide della miscela minore è

l’inclinazione minore è l’effetto.

Se lo scostamento (glide) è al di sopra

del grado centigrado la miscela viene

classificata nel campo delle

Zeotripiche.

Se invece lo scostamento di

temperatura presenta valori minimali

che si aggirano nell’ordine di decimi di

grado allora la miscela è classificata

come parzialmente azeotropica.

A

C

Glide

Stato Zeotropico




Il Ciclo frigorifero Ideale

Il diagramma che rappresenta un ciclo frigorifero

ideale è riferito ad 1 Kg di sostanza, quindi tutte

le differenze di Entalpia si riferiscono a questa

quantità di refrigerante.

Con riferimento al diagramma qui riportato nel

descrivere il ciclo partiremo dal tratto 4-1

rappresentante la trasformazione che avviene

all'interno dell'evaporatore.

Si mette in evidenza come non sia possibile

partire dalla condizione di liquido puro, cioè sulla

parte curva a sinistra ma si partirà da un certo

titolo ovvero da una certa concentrazione di

liquido vapore.

15




Il Ciclo frigorifero Ideale

L’effetto frigorigeno Ql relativo alla evaporazione

del fluido di lavoro a pressione (e temperatura)

costante si legge sulle ascisse come differenza tra

h1 e h4.

Il lavoro di compressione l che avviene lungo la

linea a entropia costante piegata verso destra,

viene letto, in ascissa, come differenza tra h2 e

h1.

Il calore ceduto dal condensatore Qs, che avviene

inizialmente, durante la fase di

desurriscaldamento del vapore, a pressione

costante e successivamente sempre alla stessa

pressione costante (ma anche a temperatura

costante), durante la condensazione, viene letto

sempre sulle ascisse come differenza di h2 e h3.




Il Ciclo Frigorifero Ideale

Infine la laminazione dal punto 3 al punto 4,

essendo una lsoentalpica, permette di far

individuare il punto 4 scendendo dallo stato di

liquido saturo in 3 lungo il tratto verticale 3 - 4

fino a incontrare l'orizzontale, a pressione

costante, lungo cui avviene l'evaporazione.

Sempre sul diagramma p_h conviene rilevare il

volume massico V1 [m3/kg] nel punto 1 in modo

da calcolare, nota la portata in massa m [kg/s] del

fluido la portata in volumeVi [m3/s].

Vi = m * V1

Questo dato è utile per il

dimensionamento del compressore.

16




Tratto 4-1…Vaporizzazione

In questo tratto il liquido che proviene dalla valvola di espansione o dal capillare è già in parte evaporato,

quindi solo una parte di liquido è teoricamente disponibile per la evaporazione nell'evaporatore più o meno

all’evaporatore arriva una titoloX 80L – 20G.

Nel punto 1 evaporano le ultime tracce di liquido, quindi a destra di questo punto non vi è più fase liquida ma

solo fase vapore. Vedremo che nel ciclo reale a questa fase ne seguirà una altra definita di Surriscaldamento.

4 1

Una volta surriscaldato (questo ci dà la certezza che non siano

presenti in sospensione piccole particelle di liquido) il refrigerante

esce dall'evaporatore e, tramite la tubazione di ritorno.

La differenza di Entalpia tra il punto finale della trasformazione 1, ed il

punto iniziale 4, rappresenta la energia che il refrigerante assorbe

dall'esterno per ogni ciclo frigorifero.

Questa la si può anche definire come l'effetto

frigorifero generato da 1 Kg di quel determinato

refrigerante per ogni ciclo termico.




Tratto 1-2…CompressioneIl tratto 1-2 rappresenta la trasformazione nel compressore. E’ ovvio che in questo tratto vada ad aumentare

sia la pressione e di conseguenza anche la temperatura del refrigerante. Altra cosa importante è che la

trasformazione avviene tutta in fase di gas.

La differenza di Entalpia tra il punto 2 ed il Punto 1 rappresenta l’energia ceduta dal compressore al

refrigerante, cioè l’energia che entra in gioco per compiere la trasformazione escluse le perdite varie per

dissipazione (questa trasformazione è infatti isoentropica e quindi non considera perdite e attriti).

4 1

L’inclinazione del tratto 1-2 corrisponde quindi a una maggiore o

minore efficienza energetica del compressore.

Minore è l'inclinazione, maggiore è la quantità di energia necessaria e

maggiore sarà la temperatura raggiunta dal gas all’uscita dal

compressore e viceversa.

1

2

17




Tratto 1-2…Compressione

1

Questa inclinazione e di conseguenza l'efficienza con cui viene

compiuta la fase 1-2 dipende da:

1) la natura del refrigerante;

2) il tipo di compressore (alternativo, scroll, vite ecc);

3) le caratteristiche costruttive del compressore;

4) l'efficienza del motore elettrico semiermetico ed ermetico;

5) il rapporto di compressione.

Resta inteso che, come vedremo nell’esempio che segue,

aumentando il rapporto di compressione aumenta

l’energia elettrica assorbita, la temperatura di scarico dei

gas e si registra di conseguenza un calo di rendimento

del compressore medesimo.

1

2




Tratto 2-2’-3…CondensazioneIl tratto 2-2’-3 rappresenta ciò che termodinamicamente avviene nel condensatore. Se consideriamo i tratti di

impianto non influenti in 2 ho le condizioni in cui il fluido esce dal compressore ed entra nel condensatore.

Il tratto 2-2’ rappresenta il raffreddamento del gas dalle condizioni di uscita dal compressore alle condizioni

di rugiada in cui inizia a formarsi la fase liquida.

La differenza di Energia 2-2’ rappresenta il raffreddamento che avviene nella fase gassosa e generalmente è

indicato con il termine di desurriscaldamento.

La differenza di Entalpia tra 2’ e 3 è il calore latente di

condensazione (quantità di calore che 1 Kg di sostanza a quella

pressione deve cedere ad un fluido esterno per passare di stato.

Vi è poi il Sottoraffreddamento qui non rappresentato. Infatti è

normale far uscire il liquido ad una condizione lievemente più fredda

di quella che avrebbe allo stato di liquido saturo. Questo, oltre ad

avere una buona influenza sul corretto funzionamento dell’organo di

laminazione aumenta anche l’efficienza del ciclo reale come vedremo

più avanti nella lezione.

22’3

18




Tratto 3 - 4… LaminazioneIl tratto 3-4 rappresenta quello che accade dalla uscita del condensatore alla uscita della valvola di

espansione o del capillare.

Questo tratto è verticale, cioè in questa trasformazione non vi teoricamente è una variazione di energia,

quindi nessuna quantità di calore viene scambiato con l'esterno ovvero ciò che si perde come pressione si

guadagna come abbassamento della temperatura.

Come detto non trattandosi di fluidi ideali ma reali anche in questa fase si presentano lievi scostamenti che

però risultano essere non significativi per il bilancio energetico totale.

In questo tratto è presente una caduta di pressione con conseguente

raffreddamento del liquido senza la comparsa della fase gassosa,

quindi senza una variazione apprezzabile del volume specifico.

A questo riguardo si ricorda che nelle condizioni reali in casi

particolari è possibile si verifichi un fenomeno denominato Flash Gas

che sostanzialmente consiste in una vaporizzazione anticipata di

una parte di refrigerante nel tratto di impianto comprendente il

laminatore causa eccessive perdite di carico o carenti isolamenti

dell’impianto stesso.

4

3




Tratto 3 - 4… Laminazione

Fenomeno questo che va a discapito della resa complessiva del

ciclo frigorifero.

Nel tratto della laminazione che si muove all'interno della campana

vi è la comparsa della fase gassosa che risulterà tanto maggiore

quanto minore sarà la pressione e di conseguenza la temperatura

che si vuole raggiungere.

Si noti che l'effetto frigorifero, cioè la quantità

di fase liquida disponibile per l'evaporazione,

è tanto minore quanto più si scende con la

pressione, e quindi la temperatura, a cui far

avvenire la evaporazione.

4

3

19







20




Consigli per l’UsoNel caso in cui la portata sia inferiore a 0,24 m3/s conviene utilizzare un compressore

alternativo, mentre al di sopra di questo valore si preferisce utilizzare un

turbocompressore.

Le temperature di evaporazione e di condensazione, evidenziate sul ciclo sono

necessariamente diverse da quelle dell'ambiente a cui si vuole rispettivamente

sottrarre e cedere calore.

L'evaporatore e il condensatore sono infatti degli scambiatori e quindi, per garantire lo

scambio termico, occorre che, durante l'evaporazione, il fluido si trovi a una

temperatura più bassa di quella dell'ambiente dal quale esso assorbe calore, mentre,

durante la condensazione, il fluido si deve trovare a una temperatura maggiore di

quella dell'ambiente al quale esso cede calore.

Queste differenze di temperatura sono in genere dell'ordine di circa 10°C; così se, ad

esempio, si vuole mantenere la temperatura di una cella per la conservazione di

alimenti alla temperatura di -10°C con una temperatura dell'ambiente esterno pari a +

20°C, la temperatura di evaporazione del fluido nel ciclo dovrà essere di - 20 °C, mentre

quella di condensazione dovrà essere pari a + 30°C.




Consigli per l’Uso

In questo caso la differenza di temperatura tra i due ambienti, la cella

fredda e l'esterno caldo, è pari a 30°C, mentre la differenza tra la

temperatura di evaporazione e quella di condensazione del fluido nel

ciclo è pari a 50°C.

In genere si cerca di tener più bassa possibile la differenza di temperatura tra

evaporazione e condensazione per ovvi motivi di risparmio di energia.

In alcuni casi tuttavia altre considerazioni di ingombro e di condizioni di

lavoro dell'evaporatore e del condensatore intervengono a modificare in

modo sostanziale il criterio prima enunciato.

Ad esempio, nei condizionatori da finestra l'ambiente dal quale l'evaporatore

preleva calore si può trovare a 25°C e il fluido evapora a O °C, mentre

l'ambiente a cui il condensatore cede calore può trovarsi a 35 °C e il fluido

condensa a 50°C; perciò una differenza di temperatura tra i due ambienti di

10°C, deve essere amplificata fino a 50°C nel ciclo in cui opera il fluido.

21




Il Ciclo Frigorifero Reale

Il ciclo effettivo di refrigerazione

differisce dal ciclo ideale

principalmente a causa della caduta di

pressione che il fluido incontra nel

muoversi all'interno delle tubazioni che

collegano i vari elementi dell'impianto

e per il trasferimento di calore verso

oppure dall'esterno.

La Figura mette in rilievo la caduta di

pressione all'aspirazione e quella

relativa alla mandata. In questa figura è

anche possibile osservare la leggera

condizione di surriscaldamento del

vapore all'inizio della compressione (1

al posto dello stato 1’di vapore saturo).




Il surriscaldamento ha lo scopo di

evitare che il fluido aspirato dal

compressore contenga tracce di

liquido. Nel caso infatti di un

compressore alternativo, alla fine della

corsa di compressione, la presenza di

liquido nello spazio morto del cilindro

potrebbe addirittura portare al distacco

della testa del cilindro per la mancanza

di comprimibilità del liquido.

Sempre sulla Figura si osserva il leggero

sottoraffreddamento. Fenomeno per

cui il fluido cede calore nel

condensatore non solo fino a

condensare completamente (tratto 2 –

3’), ma si raffredda ulteriormente (da 3’

a 3), sempre alla stessa pressione.

Flash Gas

22




Il Ciclo a più Stadi

Fino a ora abbiamo trattato il caso di impianti che

lavorano con differenze di temperatura tra

evaporazione e condensazione piuttosto

modeste.

Nelle applicazioni si trova spesso la necessità di

realizzare un'elevata differenza di temperatura, a

cui va associato un alto valore del rapporto tra la

pressione iniziale e finale del vapore.

Si fa uso allora di una compressione in due

stadi. Rispetto alla compressione in un solo

stadio questa compressione permette di

raggiungere temperature più basse alla fine della

compressione con un lavoro di compressione più

modesto a causa del raffreddamento

intermedio, che fa scendere la temperatura.




Compressione a Due Stadi

Un aumento del coefficiente di effetto frigorifero può essere ottenuto effettuando una compressione a due

stadi refrigerando il fluido frigorifero all’uscita della prima fase di compressione.

Tale accorgimento produce notevoli

vantaggi: per primo riduce il lavoro di

compressione, basta ricordarlo dalla

relazione della compressione a stadio

unico: Lc = h2l – h1. Con la

compressione realizzata da un

compressore bistadio risulta invece la

seguente: Lc = (h2 – h1) + (h4 – h3).

Per realizzare tale ciclo bisognerà

utilizzare un compressore bistadio e la

refrigerazione intermedia che dovrà

sottrarre la quantità di calore: qr = h2 –

h3 mediante un opportuno

refrigerante .

23




Compressionedue stadi con refrigerazione intermedia e sottoraffreddamentoPer migliorare ulteriormente il coefficiente di effetto frigorifero oltre a diminuire il lavoro di compressione si

procede al sottoraffreddamento del liquido frigorigeno. Si ottiene così un aumento dell’effetto frigorifero ed

una diminuzione del lavoro di compressione.

Utilizziamo come fluido refrigerante lo

stesso fluido frigorigeno del circuito sia

per effettuare la refrigerazione

intermedia del fluido frigorigeno, tra i

due stadi del compressore, che per

sottoraffreddare il fluido frigorigeno

all’uscita del condensatore.

L’impianto può essere realizzato in due

modi con cicli frigoriferi differenti, noi

analizzeremo un impianto frigorifero a

due stadi con espansione intermedia

parziale:.




Compressionedue stadi con refrigerazione intermedia e sottoraffreddamentoSi osserva l’uscita del fluido frigorigeno dal condensatore (6),impianto frigorifero con compressione a due

stadi con refrigerazione intermedia e sottoraffreddamenti lo stesso fluido si divide secondo due tubazioni

distinte, una piccola parte di esso (x) viene inviata alla valvola di laminazione dove si espande alla pressione

Pi ed inviata direttamente al refrigeratore intermedio (7).

Allo stesso arriva il fluido frigorigeno surriscaldato proveniente dal primo stadio di compressione. I due fluidi

si miscelano nella parte superiore, uno desurriscaldandosi e l’altro vaporizzando (x).

L’altra aliquota (1-x) proveniente dal condensatore entra nel refrigeratore intermedio che funziona anche

come uno scambiatore a superficie e si raffredda per poi entrare nella valvola di laminazione principale. Il

fluido frigorigeno passa così dal punto 6 al punto 8 sottoraffreddandosi.

Con l’espansione nella valvola di laminazione principale il fluido frigorigeno si porta nel punto 9

all’entrata dell’evaporatore, esce vaporizzato nel punto 10 e si surriscalda passando da 10 a 1, per

compiere poi un nuovo ciclo.

24




Guardiamouna applicazione tipo….La illustra un sistema frigorifero che utilizza

esattamente il medesimo ciclo visto

precedentemente.

Consideriamo di impiegare un fluido

frigorigeno come l’R22 e lo riscaldiamo,nell'evaporatore A, fino a 4°°°°C, troveremo

una pressione nell'evaporatore pari a

565,71 kPa.

Non tenendo conto delle perdite di carico

dovute all'attrito si può approssimare il ciclo

dicendo che la pressione all'entrata del

compressore B è ancora di 565,71 kPa.

Qui la pressione del fluido frigorigeno può

essere aumentata da 565,71 a 1.688,50 kPa,

pressione di ingresso al condensatore C.




Guardiamouna applicazione tipo….R22 Saturo Caratteristiche a 4°°°°C

Pressione kPa =565,71; Massa Volumica liq.=1,271; Massa Volumica Gas=0,024; Entalpia=202,08 kj/kg

R22 Saturo Caratteristiche a 44°°°°C

Pressione kPa =1.688,5; Massa Volumica liq.=1,113; Massa Volumica Gas=0,073; Entalpia=162,13 kj/kg

All'interno del condensatore C il gas compresso è in contatto diretto con il serpentino all'interno del quale

circola l'acqua di raffreddamento: se l'acqua è più fredda del gas quest'ultimo cede calore ad essa ed inizia la

condensazione.

Poiché il compressore mantiene una pressione di 1.688,50 kPa all'interno del condensatore, ed il fluido

frigorigeno è portato a condensarsi, il gas deve essere saturo. Il fluido R22 allo stato gassoso saturo ed allapressione di 1.688,50 kPa ha una temperatura di 44°°°°C (temperatura di condensazione).

A causa della elevata pressione esistente nel condensatore, il fluido frigorigeno liquido è spinto verso la

valvola termostatica E, da cui passa verso l'evaporatore A secondo le necessità: all'interno dell'evaporatore

il liquido si ritrasforma in gas ed il ciclo ricomincia.

25




Utilità delle Tabelle…. Un po’di ContiPer rendere maggiormente' evidente l'utilità delle tabelle vediamo di precisare meglio il sistema di calcolo.

Sia un carico di 20 kW, o 72.000 kJ/h, all'evaporatore di un fluido frigorigeno R22

una temperatura di evaporazione di + 4°°°°C;

una temperatura di condensazione di + 44 °°°° C;

Determinare:

- utilizzando le tabelle, la portata di fluido necessaria;

- il dimensionamento del compressore.

.




Utilità delle Tabelle…. Un po’di ContiPer rendere maggiormente' evidente l'utilità delle tabelle vediamo di precisare meglio il sistema di calcolo.

Sia un carico di 20 kW, o 72.000 kJ/h, all'evaporatore di un fluido frigorigeno R22

una temperatura di evaporazione di + 4°°°°C;

una temperatura di condensazione di + 44 °°°° C;

Determinare:

- utilizzando le tabelle, la portata di fluido necessaria;

- il dimensionamento del compressore.

.

26




Utilità delle Tabelle…. Portata di FluidoNella tabella di prima leggiamo l'entalpia del refrigerante a + 44°°°°C, temperatura alla quale il fluido lascia il

condensatore, che è pari a 255 kJ/kg

Nella stessa tabella troviamo l'entalpia totale del gas a + 4°°°°C, temperatura alla quale il fluido lascia

l'evaporatore, che è pari a 406,8 kJ/kg.

L'effetto frigorifero del ciclo è uguale alla differenza di entalpia tra liquido e gas all'inizio e fine del ciclo,

quindi:

406,8 - 255,0 = 151,8 kJ per kg

La portata di R22 necessaria al nostro sistema è dunque pari al carico totale in kJ/h diviso per l'effetto

frigorifero di ogni kg di refrigerante.

Portata in massa di R22 = 72.000 kj/h/151,8 kj/kg = 474,3 kg/h

da cui deriva 474,3/3600 = 0,132 kg/s




Utilità delle Tabelle…. Dimensionamento del CompressoreIn corrispondenza di + 4 °°°°C leggiamo una pressione di 567,71 kPa ed a + 44°°°°C una pressione di 1.688,50

kPa.

Dividendo la pressione sul lato premente del compressore – Mandata - (1.688,50 kPa) per la pressione

lato aspirazione (567,71 kPa) si ottiene il rapporto di compressione che è:

1.688,5/567,71 = 2,98.

Il rapporto di compressione è calcolato sempre a partire dai valori delle pressioni assolute: non si

devono mai utilizzare le pressioni relative.

Rileviamo la massa volumica del gas a + 4 °C che è di 0,02403· 103 kg per m3 quindi il compressore dovrà

pompare:

0,132 / 24,03 = 0,0055 m3/s o in alternativa 474,3 / 24,03 = 19,7 m3/h

27




Utilità delle Tabelle…. Dimensionamento del CompressoreSe i compressori avessero un rendimento del 100% un compressore con una portata di 5,5*10-3m3/s sarebbe

sufficiente a risolvere il nostro problema.

Ma come vedremo il rendimento di un compressore varia in

funzione del rapporto di compressione.

Il rendimento diminuisce quando il rapporto di compressione aumenta e viceversa.

Per il nostro esempio ipotizziamo un rendimento dell'82% in volume, la portata reale del compressore sarà

quindi uguale alla portata necessaria diviso il rendimento volumetrico in valori decimali:

(5,5 * 10-3) / 0,82 = 6,7 * 10-3 m3/s o in alternativa 24,0 m3/h



Parte 2I REFRIGERANTI NATURALI

Capacità Frigorifera e COP

Qui di seguito sono riportati alcuni grafici che mostrano la capacità frigorifera ed il COP dell'R-22 in rapporto

all’R-404 A in condizioni di refrigerazione in "bassa temperatura" (BT).

L'utilizzo di questi refrigeranti avviene ormai da qualche anno, ma con risultati qualche volta contrastanti, per

quanto riguarda la sostituzione dell'olio e la compatibilità del refrigerante con alcuni componenti del

compressore.

La presenza di una piccola parte di HC (da un 3,4 ad un 5%) o di isobutano R600 e R601 (circa il 2%) nella

miscela, non modifica l'appartenenza al gruppo di sicurezza A1 (non infiammabile e poco tossici) della miscela

stessa.

Comunque sono stati già realizzati numerosi retrofit di sistemi ad HCFC e CFC che, secondo il

produttore del fluido refrigerante, dimostrano quanto segue:

• La sostituzione dell'R22 con R404 in chillers o in impianti di refrigerazione a temperatura normale o

medio bassa, permette di ottenere Capacità di Refrigerazione paragonabili all'R22, con evidenti

risparmi energetici.

28




Capacità di Raffreddamento – (-31,7 °°°°C Evaporazione e 5,6 K condensazione)

3,5

4,5

5,5

6,5

7,5

8,5

9,5

25 30 35 40 45 50 55

R – 404 A

Capacità di raffreddamento kW

Temperatura di Condensazione °C

R - 22




COP – (-31,7 °°°°C Evaporazione e 5,6 K condensazione)

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,4

25 30 35 40 45 50 55

R – 404 A

R - 22

Temperatura di Condensazione °C

C.O.P.

29

I QUADERNI DEL FREDDOMateriale Didattico per il Conseguimento del

Patentino per il Trattamento dei Gas Effetto Serra

LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione

GRAZIE PERL’ATTENZIONE

I QUADERNI DEL FREDDO - teknologieimpianti.it · I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 3 –Il Ciclo...

Documents

Transcript of I QUADERNI DEL FREDDO - teknologieimpianti.it · I QUADERNI DEL FREDDO LEZIONE 3 –Il Ciclo...