Relazione tema L - INFN-LNL

Corso L: area gestione impianti
divisione tecnica – impianti tecnologici:
installazione gruppo frigo con
recuperatore di calore
Ciclo frigorifero
Definizione:
È un ciclo termodinamico indiretto che
regola il funzionamento di macchine
frigorifere usate negli impianti di
refrigerazione
Sequenze del ciclo
Il ciclo frigorifero è composto da 4 trasformazioni termodinamiche:
1. Compressione adiabatica del
fluido refrigerante con
conseguente aumento di
temperatura
2. Il fluido cede calore
all’ambiente
3. Il fluido condensato si espande
cedendo il lavoro all’ambiente
esterno
4. Il fluido frigorigeno evapora
assorbendo il calore
dall’esterno (fase attiva del
ciclo)
Grafico pressione entalpia
Bilancio energetico
• In 1, per unità di massa, si
ha una spesa di lavoro
esterno L1 pari a h2 –h1
• In 2 il fluido condensa a
temperatura e pressione
costanti cedendo
all’esterno calore Q2,
sempre per unità di massa,
pari a h3 – h2
• In 3 il fluido si espande
cedendo lavoro L3
all’esterno pari a h4 – h3
• In 4 il fluido evapora
assorbendo calore
dall’esterno Q4 pari a h1 –
h4. Q4 rappresenta l’effetto
frigorifero del ciclo.
Efficienza
L’efficienza, o effetto utile della macchina,
si può definire come rapporto tra
l’effetto frigorifero e la spesa fatta di
lavoro; l’efficienza viene anche
chiamata E.E.R(Energy Efficiency
Ratio) se riferita ad una macchina
frigorifera, oppure C.O.P (coefficiente
di performance ) se riferita ad una
pompa di calore.
Efficienza
Q4

L1
Calore assorbito
Lavoro sul fluido
Macchina frigorifera
La macchina frigorifera è
una macchina che
realizza suddetto ciclo
frigorifero al fine di
raffreddare un
ambiente. Le
trasformazioni del
fluido frigorigeno
vengono effettuate
tramite degli appositi
componenti presenti
nella macchina.
T1
Qc
L
M
Qa
T2
Schema di macchina a ciclo inverso qualsiasi
Macchina frigorifera
Per far si che il fluido faccia le trasformazioni richieste affinché il ciclo funzioni la
macchina deve essere composta da questi componenti:
•Compressore: comprime il fluido
aumentandone la pressione e quindi la
temperatura (questo rappresenta la
spesa di lavoro esterna sul gas)
•Condensatore: è uno scambiatore di
calore che dissipa il calore del fluido.
Come conseguenza si ha la
condensazione del refrigerante
•Valvola di laminazione: è una valvola
che fa espandere il refrigerante per
portarlo a bassa pressione
•Evaporatore: è uno scambiatore di
calore che, tramite la conduzione di
calore tra ambiente e refrigerante ( il
refrigerante assorbe calore), provoca il
passaggio di stato del fluido in circolo.
Tipi di gas frigoriferi
Le macchine frigorifere devono essere caricate di
opportuni gas frigoriferi. Questi fluidi sono
caratterizzati dal prefisso R (refrigerant) e devono
essere conformi ad alcuni standard e possedere
determinati prerequisiti:
• Atossicità per l’uomo
• Devono essere poco inquinanti
Esempi di gas frigoriferi
I gas frigoriferi possono essere miscele come anche gas
monocomponente. Generalmente sono composti di carbonio
idrogeno e fluoro detti gas HCFC. Ogni gas differisce per pressioni
di esercizio. Eccone alcuni esempi.
•
•
•
•
R22 : attualmente bandito per via della sua dannosità per lo strato dell’ozono
R407
R410 e derivati
R134 e derivati
Comportamento del gas all’interno del ciclo
Quello qui illustrato è il comportamento del gas refrigerante R134a maggiormente
utilizzato nelle macchine frigorifere dei LNL
Installazione nuovo impianto frigorifero con
recuperatore di calore
compressore
Sistema di
controllo
(PLC)
Valvola a tre
vie
Separatore
olio - fluido
refrigerante
Recuperatore
di calore
Installazione nuovo impianto frigorifero con
recuperatore di calore
condensatore
evaporatore
Organo di laminazione
Utilizzo della macchina
Questo gruppo viene utilizzato per il
raffreddamento di processi industriali.
In questo caso per la centrale di produzione di
acqua ultra pura necessaria per il
raffreddamento dell’acceleratore criogenico
LINAC-ALPI. Inoltre tramite l’apposito
recuperatore parte del calore che verrebbe
disperso nell’ambiente viene utilizzato per la
centrale di condizionamento del TANDEM e
precisamente negli impianti della mensa e
dell’acceleratore XTU-TANDEM
Caratteristiche tecniche gruppo frigo
Modello:
Trane RTAD 165
Potenza frigorifera: 587,2 [kW]
Potenza assorbita: 228,4 [kW]
EER:
2,57
Range di funzionamento:
+7 ÷ 40 [°C]
Portata d’acqua:
105 [m3/h]
Temperatura ingresso/uscita acqua:
11 – 7 [°C]
Compressore :
volumetrico a vite
Tipologie di compressore
• Compressore volumetrico:
I compressori volumetrici aspirano un volume di gas indipendente dalle condizioni di aspirazione e mandata. Hanno in genere la caratteristica di avere portata direttamente proporzionale alla velocità di rotazione e rapporto di compressione indipendente da questo.
• Compressore dinamico:
Nei compressori dinamici il fluido viene compresso sfruttando l'energia cinetica impressa al gas da opportuni meccanismi
Compressori volumetrici
Alternativo
A palette
Ad anello liquido
A lobi
A vite
Compressori dinamici
Centrifugo
Assiale
compressore
Nel compressore a vite, due viti a passo
inverso e di diametro differente imboccano
l'una sull'altra, in modo da creare con il
corpo del compressore una cavità che
progressivamente si sposta dalla zona di
aspirazione a quella di mandata,
diminuendo il volume, comprimendo così il
gas. Rispetto ai compressori alternativi
hanno il vantaggio di una meccanica più
semplice - il moto è continuo - e quindi
minori sollecitazioni meccaniche. Si
possono ottenere rapporti di compressione
minori, ma comunque elevati (3 : 1 - 4 : 1),
ed è comunque possibile porre più stadi in
serie. Il rendimento meccanico è superiore
agli alternativi e quindi, per applicazioni
medio-grandi, sono preferibili a questi ultimi.
Spaccato di un compressore a vite
Caratteristiche tecniche recuperatore di calore
Potenzialità di riscaldamento:
459,39 [kW]
Con temperatura acqua in ingresso di 4050°C e temperatura aria in entrata nel
condensatore di 35°C
Procedure di avviamento
Una volta allacciato agli utilizzi, per
l’avviamento del GF occorre controllare
che tutte le richieste del manuale
d’installazione fornito dal produttore siano
soddisfatte , in particolar modo i dispositivi
di controllo del circuito idraulico , e del
circuito elettrico
Diagramma del sistema
Verifiche e controlli dopo avviamento
Seguendo il manuale tecnico del GF con opportuna strumentazione si
controllano alcuni parametri essenziali per l’ottimale prestazione della
macchina frigorifera che sono:
-la pressione del gas sul compressore in mandata e in aspirazione
-la tensione elettrica (Volt)
-l’assorbimento elettrico (Ampere)
-la temperatura di esercizio del gas
A questo scopo si utilizzano strumenti sia digitali che analogici quali:
voltmetro
manometro
amperometro
termometro
Misure di pressione
I passaggi principali per una corretta misura di pressione del
fluido frigorifero sono:
•misura della pressione in mandata tramite l’apposito ugello
•Confronto con quella di esercizio del gas
•Se necessario si aggiunge altro fluido in stato liquido
manometro
Mandata (liquido)
Ritorno (gas)
Rubinetti di un condizionatore
Misure di pressione
Per effettuare queste misure vengono impiegati
appositi gruppi manometrici sia analogici che
digitali, che oltre alla pressione indicano anche le
temperature correlate dei gas frigorigeni
Misure di carico - assorbimento
Per verificare invece che il compressore come anche
tutta la parte elettronica svolga il suo dovere, è utile
controllare l’assorbimento di corrente mediante appositi
strumenti come la pinza volt-amperometrica
Uso di una Pinza amperometrica
Pinza amperometrica
Misure di temperatura
Anche una misura di
temperatura è utile per
controllare la corretta
dissipazione degli scambiatori
di calore, controllare il salto
termico, misurando:
-La temperatura in ingresso
-La temperatura in uscita
dello scambiatore
Pirometro
Verifiche e controlli dopo avviamento
Verificati i parametri di esercizio e
constatato che i dati siano nella tabella del
costruttore si procede all’ultima verifica una
volta fermato il GF, la ricerca delle eventuali
perdite di gas nel circuito
Dopo l’avviamento si devono eseguire dei
controlli di esercizio con cadenza prestabilita
definita per legge in base alla grandezza di
tali macchine frigorifere
Ricerca delle perdite
Questo controllo avviene
tramite appositi strumenti detti
sniffer che riescono a misurare
perdite di gas nell’ordine di
2g/anno verificando i punti critici
nel circuito frigorifero quali
saldature, frangiature, raccordi
filettati, rubinetteria, valvole e
attacchi per le misurazioni
Sniffer
Guarnizioni varie