I CHILLERS Produzione del “Freddo” Climatizzazione (1

Produzione del “Freddo”
I CHILLERS
Per la produzione del “freddo”, necessario agli impianti di
climatizzazione si deve ricorrere a particolari macchine chiamate
macchine frigorifere.
Le macchine frigorifere possono essere divise in:
-
macchine
macchine
macchine
macchine
macchine
a compressione di vapore;
a termocompressione;
ad aria;
ad assorbimento;
ad effetto fotoelettrico.
Antonio Cammi
Climatizzazione (1)
Climatizzazione (2)
Questo si ottiene semplicemente trasportando il calore da un
ambiente ad un altro: si sottrae calore all’ambiente (climatizzazione
estiva) o si fornisce calore all’ambiente (climatizzazione invernale).
Per impianti di condizionamento o
climatizzazione si intendono quei
sistemi adatti al controllo
contemporaneo della temperatura
e dell’umidità negli ambienti,
mentre impropriamente, molto
spesso vengono così intesi gli
impianti per il benessere estivo
anche se solo termico
(raffrescamento).
Climatizzazione (3)
La macchina per la climatizzazione riesce cioè a far compiere ciò che
spontaneamente non potrebbe avvenire: costringe il calore “ad
andare controcorrente” dall’ambiente meno caldo all’ambiente più
caldo.
Come si può notare, una macchina per la climatizzazione deve essere
costituita da due unità da collocarsi nei due ambienti tra i quali si
vuole far avvenire il passaggio di calore.
Il fluido che circola all’interno della macchina e al quale è affidato il
compito di trasportare il calore da un ambiente all’altro è detto fluido
refrigerante (o fluido frigorigeno) ed è un derivato degli idrocarburi
opportunamente sintetizzato al fine di renderlo non infiammabile e
non tossico.
L’ambiente esterno riceverà il calore proveniente dal
locale da climatizzare in estate e cederà invece calore al locale da
riscaldare in inverno.
L’aria del locale da climatizzare cede calore all’unità interna del
climatizzatore ed in tal modo si raffredda (e si deumidifica); il calore
passa poi all’unità esterna del climatizzatore attraverso le linee
del circuito frigorifero; viene infine ceduto all’ambiente esterno
attraverso il ventilatore dell’unità esterna. Viene così estratto calore al
locale da climatizzare.
Climatizzazione (4)
L’unità interna deve sottrarre calore all’aria del locale; se l’aria del
locale si trova ad esempio ad una temperatura di 25 C, per sottrarre
calore all’aria occorre che l’unità interna sia percorsa da un
fluido che si trova ad una temperatura certamente inferiore a quella
dell’aria. Il fluido refrigerante deve cioè trovarsi ad una temperatura
molto bassa quando percorre l’unità interna.
L’aria del locale cede calore al refrigerante e così l’aria si raffresca e si
deumidifica. La climatizzazione dell’aria del locale può avvenire quindi
solo se si riesce a portare il fluido refrigerante ad una temperatura
molto bassa.
Climatizzazione (5)
Proviamo adesso a costruire una semplice macchina che sia in grado
di portare un fluido ad una temperatura inferiore alla temperatura
ambiente.
Premendo sulla valvola sgonfiamo la ruota della bicicletta e ci
accorgiamo che l’aria che fuoriesce dal tubolare è sensibilmente
fredda, al punto da produrre una sensazione di gelo sulle dita.
Climatizzazione (6)
Per ripetere il fenomeno appena citato è necessario:
• gonfiare la ruota della bicicletta con una pompa;
• aspettare che l’aria immessa dentro la ruota si riporti alla
temperatura ambiente (l’aria appena immessa per compressione
dentro la ruota è molto calda a causa della compressione
subita nel passare dalla pressione ambiente pari ad 1 bar alla
pressione interna pari a circa 8 bar che si ha nella camera d’aria);
• Fare fuoriuscire l’aria premendo sulla valvola (l’aria si espande da
8 bar ad 1 bar e quindi si porta ad una temperatura molto più
bassa rispetto alla temperatura ambiente).
Climatizzazione (7)
Climatizzazione (8)
Per portare a bassa temperatura un fluido qualsiasi occorre quindi:
• Aumentarne la pressione (con una pompa o con un qualsiasi
compressore);
• Sottrarne il calore mentre si trova ad alta pressione (come
facciamo quando aspettiamo che l’aria calda dentro la ruota si riporti
alla temperatura ambiente);
La figura seguente mostra il circuito frigorifero di una macchina per la
climatizzazione; si evidenziano i quattro organi principali:
• Compressore (CP);
• Condensatore (CN) (o scambiatore di calore di alta pressione);
• Valvola di laminazione (VT) (o valvola di espansione);
• Evaporatore (EV) (o scambiatore di calore di bassa pressione);
• Farne ridurre repentinamente la pressione facendolo passare
attraverso un orifizio molto stretto (come avviene quando l’aria
compressa fuoriesce dalla ruota attraversando la sottilissima valvola).
Nelle macchine per il condizionamento dell’aria facciamo compiere ad
un fluido (detto fluido refrigerante, fluido frigorifero o fluido
frigorigeno) un ciclo come quello descritto.
Climatizzazione (9)
• Il compressore comprime il fluido refrigerante, il quale si porta ad
alta pressione e ad alta temperatura;
• Il condensatore sottrae calore al refrigerante caldo;
• La valvola di laminazione provoca la riduzione repentina della
pressione del refrigerante il quale si raffredda;
• L’evaporatore fornisce calore al refrigerante freddo.
Il fluido che in evaporatore entra in scambio termico con il
refrigerante viene così raffreddato: se ad esempio si manda l’aria
ambiente a scambiare calore con il refrigerante, l’aria si raffresca e
si deumidifica.
Abbiamo così realizzato una macchina per il condizionamento.
Climatizzazione (10)
L’evaporatore – cioè lo scambiatore di calore in cui il
refrigerante si trova a bassa temperatura - sottrae calore all’aria
ambiente che così si raffredda e si deumidifica.
L’evaporatore è contenuto nell’unità interna del climatizzatore split.
Il compressore, il condensatore e l’organo di laminazione si trovano
nell’unità esterna del climatizzatore split.
Climatizzazione (11)
Una macchina per la climatizzazione può essere convenientemente
usata per il riscaldamento invernale; la stessa macchina può fare da
climatizzatore invernale (oltre che estivo) semplicemente facendo
compiere un percorso diverso al fluido refrigerante.
In estate infatti il fluido caldo che esce dal compressore viene inviato
all’unità esterna, posta fuori dal locale da raffrescare; in inverno
basterà deviare il flusso del refrigerante caldo uscente dal
compressore ed inviarlo all’unità interna: in tal modo riscalderemo il
locale occupato.
Ciclo a COMPRESSIONE (1)
Climatizzazione (12)
Le figure seguenti mostrano i diversi percorsi effettuati dal refrigerante
nei funzionamenti estivo ed invernale: si noti la valvola a 4 vie,
necessaria per far percorrere al refrigerante i due diversi cicli nelle due
diverse stagioni:
CP: Compressore
CN: Condensatore
VT: Valvola di laminazione
EV: Evaporatore
VIC: Valvola Inversione Ciclo a 4 vie
VU: Valvola ritegno
FD: Filtro Deidratare
Ciclo a COMPRESSIONE (2)
Riassumendo: il CICLO FRIGORIFERO A COMPRESSIONE e’ un ciclo
chiuso, percorso in senso antiorario: ha essenzialmente una
configurazione simile a quella di un ciclo Rankine percorso in senso
inverso poiché il processo di sottrazione di energia termica (Qin) ad
una sorgente fredda da riversare ad una sorgente calda non e' un
processo spontaneo.
Per il funzionamento del ciclo si rende necessaria l'introduzione di un
lavoro W nel ciclo.
L’energia termica Qout riversata alla sorgente calda sarà pari a:
Qout = Qin + W.
Si definisce coefficiente di prestazione COP il rapporto fra
l’effetto utile e la spesa energetica:
COP = Qin / W
Ciclo a COMPRESSIONE (3)
IL COP ideale massimo si può
anche esprimere attraverso i
livelli di temperatura ai quali il
ciclo si svolge:
COP ideale = εi = Tu / (Ta-Tu)
Ciclo a COMPRESSIONE (4)
Ciclo a COMPRESSIONE (5)
Ciclo a COMPRESSIONE (6)
La temperatura di evaporazione dipende dalle esigenze dell'utenza
mentre la temperatura di condensazione dipende dal tipo di
condensazione (ad acqua, ad aria) e dalle condizioni ambientali
esterne.
Il CONDENSATORE è raffreddato mediante acqua oppure aria.
Nel primo caso l’acqua viene raffreddata, a propria volta, da una torre
di raffreddamento.
La temperatura di condensazione è poco più elevata della temperatura
ambiente ed il COP e’ alto (4,5-5).
La macchina frigorifera può essere installata al chiuso ed è più
compatta.
Ciclo a COMPRESSIONE (7)
Ciclo a COMPRESSIONE (8)
IL CONDENSATORE può essere raffreddato anche mediante adeguate
portate d’aria esterna, soffiate da appositi ventilatori.
La temperatura di condensazione è notevolmente più elevata, rispetto
alla temperatura ambiente, ed il COP è piuttosto basso (inferiore a 3)
La macchina frigorifera va installata all’aperto, è più grande e più
costosa di una macchina raffreddata ad acqua, ma non c’è necessità
di torre di raffreddamento, il che rappresenta, complessivamente, un
risparmio in costo ed in spazio.
Ciclo a COMPRESSIONE (9)
Tipi di macchine
Le macchine con ciclo frigorifero presentano un “Lato
Caldo” ed un “Lato Freddo” caratterizzati dal tipo di
vettore usato per lo scambio termico
q
q
q
q
q
Aria-Aria
(condiz. SPLIT)
Aria-Acqua
(Chillers H2O-NH3)
Acqua-Acqua
(Chillers H2O-LiBr)
Terra-Acqua
...
Tipologie (1)
Chiller
Tipologie (2)
I chiller sono gruppi refrigeratori d'acqua
a compressione e possono suddividersi, in
base al fluido utilizzato per il
raffreddamento del condensatore: aria o
acqua.
Il campo di potenze frigorifere più
comune per gli impianti installati varia tra
i 100 e i 500 kW.
Poiché i chiller necessitano di molta
energia per il proprio funzionamento, si
sono effettuati molti sforzi per renderne
l'utilizzo meno oneroso. Per questo nel
corso degli anni, è stata migliorata
l'efficienza media dei gruppi frigoriferi, ed
aumentata quella dei compressori e degli
scambiatori di calore. Ulteriori prospettive
si aprono con l'ottimizzazione della
gestione delle macchine e degli impianti.
Tipologie (3)
Condizionatori di precisione
I condizionatori di precisione monoblocco si
suddividono, a seconda del fluido usato per il
raffreddamento del condensatore, in macchine
ad aria o ad acqua. Ciò che le differenzia è la
tipologia di installazione: le unità ad aria
vengono solitamente installate all'esterno,
mentre quelle ad acqua sono comunemente
posizionate all'interno dell'ambiente climatizzato.
Poiché l'impiego prevalente è verso strutture di
elaborazione dati, l'installazione di queste
macchine avviene preferibilmente nel medesimo
ambiente per evitare manomissioni e per
assicurarne un funzionamento corretto e
protratto nel tempo (anche fino a 8760 ore
annue).
Oltre a ciò è necessario che queste macchine
assicurino un elevato grado di affidabilità visto
che un blackout dell'impianto di raffreddamento
potrebbe generare danni irreversibili e quindi
rilevanti perdite economiche.
Tipologie (5)
Centrali trattamento aria
Le centrali di trattamento dell'aria sono composte
di sezioni differenti ciascuna incaricata di
assolvere una determinata funzione per
effettuare i trattamenti dell'aria più diversi.
La modularità è la caratteristica più evidente delle
centrali, in quanto questi apparecchi vengono
progettati e dimensionati in base alle specifiche
esigenze da soddisfare.
Nel corso dell'anno queste macchine possono
svolgere diverse funzioni di trattamento:
- miscelazione, filtrazione e movimento tra aria di
ricircolo e aria esterna;
- pre- e post-riscaldamento dell'aria
- raffreddamento dell'aria
- umidificazione e deumidificazione dell'aria.
Le centrali di trattamento aria non comprendono
gli elementi per la produzione dei fluidi caldi e
freddi necessari per i processi di scambi termico
con l'aria. Caldaie e gruppi di refrigerazione
devono essere predisposti a parte.
Roof top
La sostanziale differenza fra chiller e roof top sta
nel fatto che questi ultimi utilizzano l'aria sia dal
lato del condensatore che da quello
dell'evaporatore.
L'installazione di queste unità di
condizionamento avviene all'esterno in quanto
l'aria condizionata viene distribuita nell'ambiente
attraverso un sistema di condotte o canali.
Per incanalare l'aria raffreddata nelle condotte è
necessario equipaggiare l'unità con un
ventilatore centrifugo sull'evaporatore.
Nelle fasce di potenza fino a 30 kW viene
utilizzato un solo compressore ermetico
alternativo con un unico circuito frigorifero. Nella
fascia 30-90 kW si impiegano due compressori
ermetici su due circuiti frigoriferi indipendenti,
mentre oltre i 90 kW si utilizzano comunemente
due compressori semiermetici su due circuiti
frigoriferi indipendenti
Tipologie (4)
Shelter
Gli shelter sono una particolare tipologia di
condizionatori di precisione progettate
appositamente per il condizionamento di centrali
telefoniche non presidiate, dove quasi sempre
manca lo spazio interno per l'installazione
dell'unità di raffreddamento. Oltre al
raffreddamento meccanico, queste macchine
sono in grado di utilizzare anche il
raffreddamento con aria esterna (free-cooling)
attraverso la gestione di un sistema di serrande
e ventilatori.
Macchine ad assorbimento (1)
In una macchina frigorifera ad assorbimento il
fluido frigorigeno è costituito da una miscela di due
fluidi che devono formare una miscela omogenea in
fase liquida. Il componente a più bassa tensione di
vapore prende il nome di solvente, l’altro soluto.
Nelle macchine ad assorbimento vengono
solitamente impiegate queste coppie di fluidi:
1) bromuro di litio – acqua;
2) acqua – ammoniaca.
Macchine ad assorbimento (2)
Invece di comprimere il vapore con il prelievo di
calore dall’esterno a bassa temperatura mediante la
somministrazione di energia meccanica si può
pensare si sfruttare le capacità assorbenti di alcune
soluzioni liquide.
Bromuro di litio + Acqua
Macchine ad assorbimento (3)
Esempio: Acqua ed ammoniaca
L’acqua a 0 C assorbe l’ammoniaca fino a 1000
volte il suo volume e circa 700 volte a 15 C; ne
restituisce la quasi totalità se si riscalda la soluzione
a 100 C.
Acqua
Macchine ad assorbimento (4)
Macchine ad assorbimento (5)
Le macchine ad assorbimento sfruttano lo stesso principio fisico
per il quale a basse pressioni assolute l'acqua bolle a bassa
temperatura.
a
Nella sua forma più semplice una macchina ad assorbimento è
costituita da un evaporatore, da un assorbitore, da un
condensatore, da un generatore, da alcune pompe e da una serie
di dispositivi di controllo.
Il mantello inferiore a bassa pressione ed a bassa temperatura
solitamente contiene l'evaporatore e l'assorbitore, mentre il
mantello superiore a temperatura e pressione superiori contiene il
generatore ed il condensatore.
Macchine ad assorbimento (6)
Dal primo principio della termodinamica si ottiene:
QG + QO + W = QA + QC + QV
W = Potenza elettrica degli ausiliari
QV = Perdite termiche dell’assorbitore
Trascurando questi ultimi due termini (in genere
piccoli) si ottiene:
QG + QO = QA + QC
Macchine ad assorbimento (7)
Anche per la macchina ad assorbimento si definisce
un coefficiente di prestazione quale rapporto fra la
potenza termica resa e quella assorbita:
- Nel caso di macchina frigorifera:
COPF = QO/ QG
- Nel caso di pompa di calore:
COPc = (QA+ QC) / QG = COPF +1
Macchine ad assorbimento (8)
Applicando il secondo principio della termodinamica:
QG/TG + QO/TO = QA/TA + QC/TC
Macchine ad assorbimento (9)
Il coefficiente di effetto utile ideale può quindi essere calcolato
come:
COP ideale = εi = QO/QG = (1/TA-1/TG)/(1/TO-1/TA)
Normalmente per raffreddare assorbitore e
condensatore si utilizza lo stesso fluido e quindi
Come si vede le prestazione della macchina ad assorbimento
sono condizionate dal valore delle tre temperature TA, TG, TO
TA = TC e risulta quindi:
Al crescere della temperatura del generatore il coefficiente
aumenta: se TG tende ad infinito si ottiene un rendimento apri
al ciclo di CARNOT.
QG/TG + QO/TO = (QA + QC)/TA = (QO + QG)/TA
Macchine ad assorbimento (10)
Macchine ad assorbimento (11)
Vista la ben diversa qualità dell’energia richiesta per il
funzionamento della macchina frigorifera ad assorbimento
rispetto a quella a compressione di vapore, i COP delle due
macchine non possono essere le macchine frigorifere a
compressione necessitano per il loro funzionamento di energia
meccanica per la compressione (forma di energia pregiata);
Vista la ben diversa qualità dell’energia richiesta per il
funzionamento della macchina frigorifera ad assorbimento
rispetto a quella a compressione di vapore, i COP delle due
macchine non possono essere le macchine frigorifere a
compressione necessitano per il loro funzionamento di energia
meccanica per la compressione (forma di energia pregiata);
• l’energia meccanica è resa disponibile nella maggior parte
dei casi dall’utilizzo di motori elettrici, e l’energia elettrica è a
sua volta ricavata in gran parte da impianti termoelettrici,
alimentati cioè da energia sottoforma termica;
• nelle centrali termoelettriche, la trasformazione da calore a
elettricità avviene con un rendimento medio nazionale che si
aggira intorno al 40 %
• l’energia meccanica è resa disponibile nella maggior parte
dei casi dall’utilizzo di motori elettrici, e l’energia elettrica è a
sua volta ricavata in gran parte da impianti termoelettrici,
alimentati cioè da energia sottoforma termica;
• nelle centrali termoelettriche, la trasformazione da calore a
elettricità avviene con un rendimento medio nazionale che si
aggira intorno al 40 %
Macchine ad assorbimento (12)
Il ciclo
termodinamico
lavora tra due
valori di
pressione, Pc e
P0: la linea
tratteggiata
nello
schema separa
i componenti
che operano a
diversa
pressione.
Macchine ad assorbimento (13)
La pressione Pc (generatore e condensatore) è determinata
dalla temperatura di condensazione dell’acqua nel
condensatore e quindi, in definitiva, è determinata dalla
temperatura dell’acqua disponibile nel circuito di
raffreddamento.
La pressione P0 (evaporatore e assorbitore) è determinata
dalla temperatura di evaporazione dell’acqua e quindi, in
definitiva, dalla temperatura a cui è richiesta la produzione
del freddo.
Macchine ad assorbimento (14)
Il grafico rappresenta il variare della tensione di vapore saturo (punto di
ebollizione) al variare della temperatura; considerata la temperatura dell’acqua
disponibile nel circuito di raffreddamento (tipicamente da 27 C a 36 C) risulta
che la pressione nel condensatore è pari a circa 50 mbar; considerata invece la
temperatura a cui è richiesta la produzione del freddo (tipicamente da 7 C a
14 C) risulta che la pressione nell’evaporatore è pari a circa 12 mbar.
Macchine ad assorbimento
(16)
Macchine ad assorbimento (15)
L’assorbitore è una tecnologia affidabile e consolidata negli anni.
• 1777: sviluppo della teoria della refrigerazione per assorbimento
utilizzando acido solforico come assorbente (E. Nairne, Francia);
• 1860: prima macchina frigorifera ad assorbimento con soluzione ad
acqua-ammoniaca (Ferdinand Carré, Francia);
• 1945: prima macchina ad assorbimento a LiBr di grande potenza
(USA);
• 1958: prima macchina ad assorbimento a LiBr a gas, a fiamma
diretta (Giappone);
• 1961: prima macchina ad assorbimento a doppio effetto, alimentata
a vapore (USA);
• 1968: prima macchina ad assorbimento a doppio effetto a gas, a
fiamma diretta (Giappone);
• 1972: prima macchina a gas, fiamma diretta produzione combinata
freddo / caldo (Giappone).
Macchine ad assorbimento (17)
Modelli monostadio
Macchine ad assorbimento (18)
Modelli bi-stadio
Macchine ad assorbimento (19)
Possibili diversi abbinamenti: biomassa, solare, ecc.
Macchine ad assorbimento (20)
Macchine ad assorbimento (21)
Funzionamento
estivo con
macchina a
doppio effetto, a
Bromuro di Litio
e fiamma diretta.
Funzionamento
invernale con
macchina a
doppio effetto, a
Bromuro di Litio
e fiamma diretta.
Macchine ad assorbimento (7)
Macchine ad assorbimento Esempi (1)
Macchine ad assorbimento Esempi (2)
Macchine ad assorbimento Esempi (3)
Macchine ad assorbimento Tipologie (1)
Macchine ad assorbimento Tipologie (2)
•
Taglia: 28 kW freddi-48 kW caldi
•
Taglia: 17 kW freddi
•
Alimentazione: Gas
•
Alimentazione: Gas
•
Scambio:
Acqua
•
Scambio:
Aria-Acqua;
•
Funzione:
freddo
•
Modularità: Sì
•
COP:
Aria-Acqua; Acqua-
•
Destinazione:
•
Modularità: No
•
COP:
freddo; caldo;
0.65 freddo
1.60 caldo -0.95 freddo
Macchine ad assorbimento Tipologie (3)
•
Taglia:
150 – 5980 kW freddi
•
Alimentazione:
vapore
Gas; Acqua calda;
•
Scambio:
Acqua-Acqua
•
Funzione:
freddo
•
Controllo:
continuo
•
COP:
0.7 ; 1.1
Macchine ad assorbimento con solar cooling
Le Macchine ad Assorbimento
possono creare il freddo mediante
l’ energia del sole.
I costi di investimento ammontano
a circa ~ 1800 €/kW freddo /
~880 €/kW termico:
Macchine ad assorbimento con
cogenerazione
Costi comparati
Tecnologia
25/60
Caldaie
Caldaie a Condensazione
PCC Aria-Aria
€/kW
(2-4 kW)
PCC Aria-Acqua
(17 kW)
PCA H20-NH3
120
80-350
250
580(freddo) - 280
(17 kW freddo- 35kW caldo)
Chiller H20-LiBr
Fonte ENEA
(250 kW)
600(freddo)
(caldo)
Conclusioni
Vantaggi Compressione:
q
q
q
q
q
q
Costo di investimento minore.
Prestazioni superiori in raffrescamento.
Grande scelta di taglie.
Manutenzione non specialistica.
Assenza di fumi di scarico (salvo modelli con motore a C.I.)
Fluidi non pericolosi (salvo Ammoniaca anidra)
Vantaggi Assorbimento:
q
q
q
q
q
q
I fluidi impiegati nelle macchine ad assorbimento non danneggiano l’ ozono e non
contribuiscono all’ effetto serra.
Le prestazioni in riscaldamento sono superiori ed in ogni caso risentono meno
delle variazioni climatiche.
E’ possibile diversificare le fonti energetiche.
Maggiore silenziosità e durata e minore manutenzione.
Possibilità di recuperare calore di scarto (trigenerazione)
Il Solar Cooling è una tecnologia molto attrattiva per il futuro.