UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II
Dipartimento di Ingegneria Industriale
TECNICA DEL FREDDO
docenti
Prof. Rita MASTRULLO
Prof. William MAURO
anno accademico 2016-2017
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Presentazione del corso
Tecnica del freddo
R. Mastrullo - A. W. Mauro
Obiettivi del corso
condurre un’accurata analisi
termodinamica delle macchine
frigorifere a compressione di
vapore, ad assorbimento e a gas
fornire agli allievi
le conoscenze per
progettare un impianto
frigorifero a compressione di
vapore e modellizzarne i
componenti
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Presentazione del corso
Tecnica del freddo
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Refrigerazione
Per refrigerazione si intende l’ insieme di sistemi e
trasformazioni che consentono di sottrarre calore a
sistemi a temperatura inferiore a quella ambiente
Quando la temperatura scende a valori molto bassi
Usualmente il valore limite è 125 K
si parla di Criogenia
in quanto la maggior parte di quelle
sostanze dette gas permanenti
bolle, a pressione ambiente, ad una
temperatura inferiore
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Presentazione del corso
Aria
Ossigeno
Azoto
Idrogeno
Elio
79 K
90 K
77 K
20 K
4 K
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Metodi per ottenere basse
temperature:
La compressione di un gas provoca
l’aumento della sua temperatura e
viceversa l’espansione ne provoca la
diminuzione: su questo principio
funzionano le macchine per la
liquefazione dei componenti dell’aria
Singole trasformazioni:
espansione di un gas
DT dell’aria [K]
b
2
3
4
5
280
50
75
92
103
300
54
81
98
111
320
57
86
105
118
340
61
92
111
125
T1
T
pA
T1
pb
T2
s
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Tecnica del freddo
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Metodi per ottenere basse
temperature:
Singole trasformazioni:
L’evaporazione di un fluido
determina la sottrazione di
calore dall’ambiente
circostante
evaporazione di un fluido
Dh di evaporazione [kJ/kg]
Tev
-50
-10
10
232
206
191
R717
1416
1297
1225
CO2
338
259
197
R410A
277
238
213
sostanza
R134a
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Metodi per ottenere basse
temperature:
Singole trasformazioni:
miscele refrigeranti
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Presentazione del corso
Alcuni tipi di sali si
sciolgono in particolari
liquidi assorbendo calore
dall’ambiente circostante
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Metodi per ottenere basse
temperature:
Singole trasformazioni:
effetto termo-elettrico
24 litri
peso 8 kg
tmin 5°C (con DTmax 25°C)
L’effetto termo-elettrico
fu osservato da Peltier nel
1834: se si fa passare
corrente attraverso una
pila termoelettrica si
risconta una differenza di
temperatura tra le due
giunzioni
assorbimento elettrico 70 W
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Metodi per ottenere basse
temperature:
Singole trasformazioni:
Esperienza di Warburg
(1881)
effetto magnetocalorico
Variazioni di campo magnetico inducono
variazioni istantanee e reversibili di
temperatura
Tali variazioni sono significative per
particolari sostanze solide (terre rare
quali Gadolinio, Erbio, ..) ed in processi
adiabatici e reversibili
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Presentazione del corso
nel 1881 Warburg osservò la
variazione di temperatura di un
provino di ferro sottoposto a
variazioni di campo magnetico
Tecnica del freddo
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effetto magnetocalorico
Metodi per ottenere basse
temperature:
L’entropia totale del materiale S
Stot = Smag + Ster + Sstr
orientazione
dei dipoli
magnetici
grado
agitazione
termica
configurazione
struttura
elettronica
Se sottoponiamo il materiale ad un aumento del campo magnetico
in un processo adiabatico reversibile Stot = costante
i dipoli magnetici tendono ad orientarsi nella direzione del campo Smag diminuisce
in assenza di transizioni strutturali Sstr = costante
Ster deve aumentare
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Presentazione del corso
aumenta la temperatura del materiale
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Metodi per ottenere basse
temperature:
Cicli termodinamici:
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Ciclo Joule inverso:
T
T1
Cicli termodinamici:
T2
s
Un ciclo a gas percorso in senso
antiorario funziona da ciclo
inverso: il gas a bassa pressione
preleva calore dall’ambiente a
temperatura inferiore mentre, ad
alta pressione, cede calore a quello
a temperatura maggiore .
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Presentazione del corso
ciclo Joule
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Ciclo magnetico inverso
Magnetizzazione e smagnetizzazione di
particolari sostanze solide (terre rare quali
Gadolinio, Erbio, ..) in processi adiabatici e
reversibili inducono variazioni istantanee e
reversibili di temperatura
Variazione di campo a
entropia costante
Variazione della temperatura
della sostanza
Variazione di campo a
temperatura costante
Scambio di energia termica
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Ciclo magnetico inverso
T
HB
T1
T2
H0=0
s1
s2
s
Partendo da un livello nullo di magnetizzazione
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Ciclo magnetico inverso
T
HB
T1
T2
H0=0
s1
s2
s
Partendo da un livello nullo di magnetizzazione
il campo viene incrementato adiabaticamente fino
al valore massimo (HB)
Ciò equivale alla fase
la sostanza magnetica
di compressione
innalza la sua
temperatura
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Ciclo magnetico inverso di Joule
T
HB
T1
T2
H0=0
s1
s2
s
Mantenendo il livello di magnetizzazione raggiunto
La sostanza magnetica trasferisce energia termica
ad un SET che funge da pozzo termico
Conseguentemente la
sua temperatura
diminuisce
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Ciò equivale alla fase
di raffreddamento del
gas.
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Ciclo magnetico inverso
T
HB
T1
T2
H0=0
s1
s2
s
Partendo dal livello massimo di magnetizzazione
Il campo magnetico viene annullato
la sostanza magnetica
diminuisce la sua
temperatura
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Presentazione del corso
Ciò equivale alla fase
di espansione
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Ciclo magnetico inverso
T
HB
T1
T2
H0=0
s1
s2
s
Mantenendo il livello di magnetizzazione nullo
La sostanza riceve energia termica da un SET che
funge da sorgente fredda
Ciò equivale alla fase
Conseguentemente la
sua temperatura
aumenta
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Presentazione del corso
di riscaldamento
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magnetizzazione / demagnetizzazione
moto alternativo
moto rotativo
semplice da realizzare
inefficienza dal punto di vista meccanico
basse frequenze del ciclo
vibrazioni
più complesso da realizzare
più efficiente dal punto di vista meccanico
maggiore frequenza del ciclo
riduzione delle vibrazioni
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Università
di
Salerno
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Metodi per ottenere basse
temperature:
ciclo a compressione
di vapore
Per rendere continuativa la sottrazione di
calore realizzata facendo evaporare un
fluido, è necessario ricondurre il vapore in
fase liquida. Questo è fatto comprimendo il
vapore e facendolo successivamente
condensare, una espansione porta il liquido
nelle condizioni iniziali.
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Presentazione del corso
2
3
4
1
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Metodi per ottenere basse
temperature:
ciclo ad assorbimento
La solubilità di un gas in un liquido decresce
al crescere della temperatura: l’acqua a 0°C
assorbe ammoniaca gassosa fino a 1000 volte
il suo volume; ne libera la maggior parte se
riscaldata a 120 °C. Il gas liberato viene
fatto condensare e poi evaporare per produrre
freddo; passa poi nell’assorbitore dove si
discioglie nuovamente nell’acqua.
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Presentazione del corso
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Metodi per ottenere basse
temperature:
cicli Claude e Linde
Per liquefare un gas si utilizza il gas
stesso come fluido operatore in un ciclo
che provvede a comprimere il gas fino a
valori tali che dopo un raffreddamento
ed una espansione nella valvola di
laminazione il fluido è una miscela
bifasica.
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Presentazione del corso
Tecnica del freddo
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Argomenti trattati nel corso:
Prima parte:
Approfondimenti
termodinamici dei
componenti e degli
schemi degli impianti
per la refrigerazione.
NH3
CO2
4
5
2
3
C2
6
7
C1
8
1
9
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Argomenti trattati nel corso:
Seconda parte:
Presentazione dei componenti
e delle loro peculiarità
relativamente al settore della
refrigerazione.
Progettazione di massima di
un impianto frigorifero a
compressione di vapore.
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Presentazione del corso
Tubi alettati
Compressori
Compressori
Scambiatorescroll
a ermetici
fascio
> 200 W
- 1 kW
30-200
W
tubiero
> 1 kW> 5 kW
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Argomenti trattati nel corso:
Seconda parte:
Presentazione dei componenti
e delle loro peculiarità
relativamente al settore della
refrigerazione.
Progettazione di massima di
un impianto frigorifero a
compressione di vapore.
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Presentazione del corso
Condensatori
piastre
Condensatorea statico
>100
1 kW
W
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Argomenti trattati nel corso:
Seconda parte:
Presentazione dei componenti
e delle loro peculiarità
relativamente al settore della
refrigerazione.
Organi
di laminazione:
Organi
di
laminazione:
Progettazione di massima di
elettro-valvola
tubi
capillare
un impianto frigorifero a
Separatori di olio
(diametro 0.4 – 1.3 mm)
compressione di vapore.
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Presentazione del corso
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Materiale di supporto didattico:
Dispense del corso
Manuale della refrigerazione industriale Stoecker
Wilbert Ed. Tecniche Nuove, 2001.
Principles of refrigeration
Dossat, R.J. e Horan, T.J. Ed. Prentice Hall, 2001.
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Materiale di supporto didattico:
iscrizione al corso e download materiale
sito docente prof. Mastrullo:
www.docenti.unina.it/rita.mastrullo
Contatti collaboratori:
Ing. Francesco Botticella
Ing. Luca Viscito
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Presentazione del corso
[email protected]
[email protected]
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