SPERIMENTA ANCHE TU 2009
Prototipo di pompa di calore
Liceo Scientifico “Leonardo da Vinci” di Treviso
Classe 3^F
Studenti: Francesco Durighetto, Elena Sarpa, Marco Zanolin, Matteo Zucchella
Docente: Luisa Bari
Assistenza tecnica e teorica: Ingegner Alberto Aloisi e Andrea Giomo
RELAZIONE
Motivazioni
L’idea di costruire questo esperimento è nata all’inizio di questo anno scolastico, mentre in classe
stavamo progettando ciò che avremmo esposto e spiegato nella Decima Edizione della Mostra di
Fisica, Matematica e Scienze “Esperimenti per pensare” basata su esperimenti realizzati e spiegati
da noi studenti che si terrà presso il nostro Liceo nel mese di Ottobre 2009. Il tema di questa
decima Edizione è ‘Ambiente e energia’.
In seguito è emersa la disponibilità della Ditta De Longhi ad ospitare il gruppo di studenti
accompagnati dall’insegnante presso il loro laboratorio per la realizzazione e la prova di un prototipo
di pompa di calore, e si è pensato di partecipare anche al concorso “Sperimenta anche tu” dell’anno
2009.
Abbiamo effettuato questo esperimento ponendoci come obiettivo la realizzazione di un sistema che
permettesse di riscaldare e di raffreddare un ambiente tramite scambio di calore e, tutto questo,
con consumi ed emissioni inquinanti il più possibile limitate e con la massima resa data dal rapporto
tra calore scambiato ed energia consumata. Il prototipo è stato realizzato durante 4 incontri tra il
5 dicembre 2008 e il 18 febbraio 2009 presso la ditta De Longhi, seguiti da altri incontri e misure
anche presso il Liceo per rivedere e approfondire sia la parte teorica che quella di elaborazione dati,
proposte negli incontri precedenti.
Avendo solo conoscenze di termologia e calorimetria e non avendo ancora studiato la Termodinamica
e il ciclo di Carnot abbiamo cercato di affrontare e capire la problematica attraverso l’analisi e
realizzazione pratica di un ciclo frigorifero. Questo ci ha permesso di capirne il funzionamento e di
verificare, in maniera pratica, quello che avremmo studiato in seguito. Inizialmente abbiamo fatto
fatica a comprenderne il funzionamento, dal momento che ci sembrava impossibile scaldare o
raffreddare un ambiente solo grazie allo spostamento del calore dell’aria, reso possibile dalla
variazione di pressione e di stato del gas contenuto all’interno della pompa di calore, e di poter
raggiungere in questo modo temperature molto superiori o inferiori a quella dell’aria stessa. Grazie a
questo esperimento possiamo affermare con certezza:ӏ possibile!!
Nella sua costruzione siamo stati assistiti dagli ingegneri dell’azienda De Longhi (sede di Treviso)
Alberto Aloisi e Andrea Giomo e dal direttore tecnico Sergio Zanolin, che ci hanno permesso anche
di utilizzare alcuni macchinari dell’azienda, tra cui la camera calorimetrica per testare il
funzionamento dell’apparecchio. A loro va un sentito ringraziamento.
Abbiamo trovato il percorso che ci ha permesso di comprendere e costruire l’esperimento
estremamente interessante e, anche se impegnativo, è stato piacevole e costruttivo.
1
Parte teorica
CICLO FRIGORIFERO
UNITA’ DI MISURA UTILIZZATE
Temperatura: °C
Pressione: Pa =1 N/m2 ; 1 Atm = 101'325 Pa; 1 bar = 100'000 Pa
Energia: J = N*m
Entalpia (energia che il sistema può scambiare con l’ambiente): J
PASSAGGIO DI STATO
Nel prototipo viene utilizzato il gas propano come sostanza frigorigena. Per comprendere il
funzionamento del ciclo frigorifero è necessario capire i passaggi di stato che il propano effettua
all’interno del prototipo poiché il suo funzionamento si basa sulla quantità di calore ceduto e di
calore assorbito che libera o richiede il gas per diventare liquido o evaporare.
A lato è indicato il grafico della temperatura in funzione
del tempo per una sostanza pura che passa dallo stato
liquido a quello di vapore. In ordinata è indicata la
temperatura e in ascissa il tempo. Il primo tratto obliquo
rappresenta la sostanza allo stato liquido e la seconda allo
stato vapore. Il tratto orizzontale indica il processo di
vaporizzazione il cui coesistono liquido e vapore e la
temperatura non cambia finchè tutto il liquido si è
trasformato in vapore. La temperatura di ebollizione
dipende dalla pressione e aumenta con questa.
Qui sotto sono riportate per esempio le temperature di ebollizione dell’acqua al variare della
pressione in tabella e in grafico.
Acqua
Pressione
(bar)
0,5
1
2
3
5
Temp. di ebollizione
(°C)
80
100
120
134
152
2
ACQUA - Andamento della pressione assoluta per le temperature di ebollizione nel campo
fra 0 e 110 °C.
IL PROPANO
Il propano è un idrocarburo. Si ottiene per distillazione frazionata dal petrolio e dal gas naturale.
Gli idrocarburi sono composti organici, che contengono soltanto atomi di carbonio e di idrogeno. Gli
atomi di carbonio (C) sono legati tra loro a formare lo scheletro della molecola, mentre gli idrogeni
(H) sporgono da questo scheletro. Ad oggi sono stati classificati oltre 133mila tipi di idrocarburi.
A temperatura e pressione ambiente è un gas incolore e inodore, essendo tuttavia facile da
liquefare, viene usato come carburante per automobili e come combustibile, sia per usi domestici che
industriali, nonché per alimentare fornelli e lampade da campeggio.
Usato come combustibile, è più noto come GPL (gas di petrolio liquefatto), il GPL è infatti una
miscela di propano impuro di propene, butano e butene, spesso odorizzata con etantiolo per
renderne facile il rilevamento in caso di fuga o di perdita.
Come carburante per autotrazione, è miscelato con butano ed altri idrocarburi (il cosiddetto "mix
auto") e non viene odorizzato, per non sporcare il polmone dell'impianto GPL dell'automobile.
Trova impiego anche come propellente per spray e, identificato con la sigla R290, come fluido
refrigerante, anche se il suo principale utilizzo industriale è la produzione di prodotti chimici di
base.
3
PROPANO Proprietà fisico - chimiche (riferite al prodotto puro)
Punto di ebollizione a 1.013 mbar
- 42.1
°C
Formula chimica
C3H8
-
inf. 2.37 sup. 9.5
% gas in miscela
Flash Point
- 83
°C
Calore di vaporizzazione a pressione costante e
al relativo punto di ebollizione
102
51.5
Kcal/kg
Kcal/l
mc. di gas sviluppati da un Kg di liquido
0.538
mc
Peso molecolare
44.09
g/mol
Peso specifico fase liquido a 20°C
0.54
kg/l
Peso specifico fase gas a 20°C
1.81
kg/mc
Temperatura di auto ignizione
510
°C
Densità fase gas a 20°C (aria = 1)
1.52
-
Tensione di vapore a 20°C
7.3
bar (rel)
Tensione di vapore a 50°C
15.8
bar (rel)
0.039
Vol / Vol
Limiti di infiammabilità in aria a 20° C e 1.013
mbar
Solubilità in acqua
IL CICLO FRIGORIFERO
ll prototipo da noi studiato realizza un CICLO A COMPRESSIONE DI VAPORE che è il ciclo
frigorifero più comune.
Le macchine frigorifere possono essere utilizzate principalmente per due scopi differenti:
Togliere calore al serbatoio a temperatura inferiore (ad esempio il frigorifero o il
condizionatore)
Fornire calore al serbatoio a temperatura superiore (ad esempio la pompa di calore)
T1>T2
T1
Q1
L
Q2
T2
Fig.1 Principio generale
di funzionamento di una
macchina
frigorifera
reale
In un macchina frigorifera
reale, il calore Q2 viene
prelevato dal serbatoio a
temperatura
inferiore
utilizzando lavoro esterno.
Al serbatoio a temperatura
superiore viene ceduta
un’energia equivalente al
calore assorbito Q2 e al
lavoro svolto sul sistema
L. Q1 Q 2 L
4
Non esiste una sostanziale differenza tra la macchina frigorifera e la pompa di calore,
entrambe possono essere schematizzate con il medesimo grafico (Fig.1), la distinzione si prospetta
solo nell’utilizzo pratico; mentre il risultato utile prodotto dalla macchina frigorifera corrisponde
alla sottrazione di una quantità di calore pari a Q2 a scapito del serbatoio freddo T2, per la pompa
di calore si ha come risultato utile l’acquisizione di una quantità di calore Q1 da parte del serbatoio
caldo T1.
Q1
Q2
L
Aere
Fig.2 Principio generale di
funzionamento
di
un
frigorifero domestico
Il calore Q2 viene estratto
dalla cella frigorifera tramite
l’apporto di un lavoro L.
L’energia così accumulata pari
a Q1= Q 2 L viene emessa
nell’ambiente esterno.
Fig.2
Più semplicemente il concetto si può riassumere esemplificando i due casi:
La funzione del frigorifero domestico (macchina frigorifera) si esplica nella sottrazione di
calore dagli alimenti in esso introdotti (effetto utile), tale calore viene poi fornito all’ambiente
esterno e così dissipato (effetto secondario) (Fig.2). L’ambiente dove ottengo il risultato utile
corrisponde in (Fig.1) al serbatoio T2 ossia l’interno del frigorifero.
Situazione contraria si ottiene durante il riscaldamento domestico da parte di una pompa di
calore , in questo caso il serbatoio freddo T2 è l’ambiente esterno a cui viene sottratto calore
(effetto secondario) il quale viene successivamente ceduto all’interno dell’abitazione. (effetto tile).
In molte grandi strutture architettoniche, grattaceli, università ecc.. l’impianto di
termoregolazione è affidato a macchinari dal funzionamento sopra descritto, La scelta di adottare
questo tipo di macchinari a discapito dei più noti impianti di riscaldamento a combustibile fossile è
dettata da un notevole risparmio economico. Il costo dell’impianto è elevato ma per grandi strutture
è facilmente ammortizzabile in brevi tempi. Mentre in tempi passati era consono installare due
impianti differenti, uno per la refrigerazione ed un secondo per il riscaldamento, grazie
all’avanzamento tecnologico e grazie alla peculiarità di queste macchine di poter sia estrarre che
cedere calore, i due impianti vennero sostituiti da una sola macchina termica. Tramite un
commutatore si è reso possibile dirigere la direzione del processo termodinamico scambiando
vicendevolmente il serbatoio di utilizzo: nei mesi afosi la macchina produce refrigerio estraendo
calore dall’ambiente interno e cedendolo all’ambiente esterno, mentre nei mesi freddi, inversamente,
il calore viene prelevato dall’esterno e poi ceduto all’ambiente interno.
5
COMPONENTI
In un ciclo frigorifero sono presenti quattro componenti fondamentali:
COMPRESSORE: raccoglie il vapore proveniente dall’evaporatore e lo
comprime facendolo aumentare di pressione.
CONDENSATORE: attua il passaggio di stato del propano da vapore a liquido e libera calore
all’esterno
ORGANO DI LAMINAZIONE :consiste in un tubicino di piccole dimensione che fa diminuire
la pressione del liquido ( diametro interno dell’ordine del millimetro e lunghezza di circa 1
metro; il piccolo diametro interno crea un aumento degli attriti e quindi un calo di pressione)
EVAPORATORE: strutturalmente simile al condensatore ma funzionalmente opposto poiché
trasforma il liquido in vapore assorbendo calore dall’ambiente esterno
Ambiente che si
riscalda
Qc
Condensatore
2
1
Valvola di
laminazione
Compressore
4
3
Evaporatore
Qev
Ambiente che si
raffredda
Fig.3
6
PERCORSO DEL GAS:
il gas(a Pressione P4) entra nel compressore e ne esce a pressione P1
il gas passa attraverso il condensatore cedendo calore all’eserno(Qc) mentre il vapore
condensa; passando per il condensatore il gas diventa liquido
successivamente il liquido(a pressione P2)entra nell’organo di laminazione e ne esce a
pressione P3 inferiore
il liquido poi attraversa l’evaporatore prendendo calore dall’esterno(Qe) e ridiventa vapore
I ventilatori non sono indispensabili ma aumentano gli scambi di calore con l’ambiente
sintesi schematica delle pressioni rilevabili all’interno del ciclo (trascurando le perdite di
carico all’interno degli scambiatori)
P1=P2; P3=P4
P4<P1
P2>P3
Dividendo a metà il ciclo di fig. 3 abbiamo sopra (1-2) alta pressione e sotto (3–4) bassa pressione;
tagliandolo a metà verticalmente abbiamo a destra (4-1) vapore e a sinistra (2-3) liquido
Qc=Qe+Le (Le= lavoro elettrico)
Analizziamo ora le diverse fasi della trasformazione osservando contemporaneamente le Fig.3 e
Fig.4.
4 1 : La miscela, che si trova allo stato di vapore secco (4), passando attraverso un
compressore, viene portata ad una pressione più elevata tramite una trasformazione adiabatica
reversibile. L’aumento di pressione implica un forte aumento della temperatura del fluido, il quale
arrivato al punto (1) si trova nel campo dei vapori surriscaldati.
1 2 : Passando attraverso la serpentina del condensatore, il fluido refrigerante cede
all’ambiente A una quantità di calore Qc e comincia a raffreddarsi, fino a quando non entra nella
regione del grafico sottostante alla curva limite (quella tracciata in viola), nella quale la
trasformazione prosegue a temperatura costante, in quanto si verifica la condensazione del vapore
ed è in atto un cambiamento di fase. Uscendo dalla curva il liquido si raffredda ulteriormente.
2 3 : Questa fase può avvenire in due modi, attraverso una turbina o tramite una valvola
di laminazione. Nel caso della turbina si otterrebbe una trasformazione adiabatica reversibile,
vantaggiosa per il rendimento della macchina, mentre con la valvola si attua un processo
irreversibile, motivo per il quale nel passaggio da (2) a (3) non si sa con precisione cosa avvenga nella
regione del grafico. La trasformazione in questo secondo caso abbassa il rendimento della macchina.
3 4 : Dentro all’evaporatore, il fluido refrigerante attua la seconda transizione di fase
(opposta a (1-2)), la miscela passa dallo stato liquido a vapore saturo a temperatura costante
assorbendo calore Qev e ritorna quindi nello stato di partenza, chiudendo il ciclo. Il calore assorbito
è sottratto all’ambiente B che così si raffredda.
DIAGRAMMA PRESSIONE-ENTALPIA SPECIFICA DEL PROPANO
La campana disegnata in viola sul diagramma segna i punti dove il propano inizia a cambiare di stato;
a sinistra della campana lo troviamo in forma liquida, all’interno è sotto forma di soluzione mista di
liquido e vapore mentre alla destra il gas diventa vapore.
7
Inoltre nel grafico sono segnati i quattro punti fondamentali del ciclo con i rispettivi valori di
pressione ed entalpia. Sono anche visibili i valori di calore ceduto, calore assorbito e lavoro
elettrico.
Tale diagramma è il più apprezzato nell’utilizzo pratico in quanto le trasformazioni
termodinamiche sono descritte tramite leggi di funzionalità diretta di primo grado. Ciò semplifica i
calcoli e assicura con maggiore precisione la correttezza dei dati estratti da tale grafico.
Fig.4
1->2 condensazione(P cost)
(raffreddamento)
2->3 h cost (diminuzione P)
3->4evaporazione (Pcost)
(riscaldamento)
4->1 h cost (aumento P)
Misurando T1 , T2 , T3 , T4 , e ricavando P1 e P3 da misure o dalla tabella di conversione si può
rappresentare il ciclo nel grafico Pressione-Entalpia specifica del propano (Fig.5) e da questo
determinare i calori scambiati, il lavoro speso per unità di massa e calcolare il rendimento del ciclo.
Qc= h1-h2
Qe= h4-h3
Le= h1-h4
F EER
h4 h3
h1 h4
8
Fig. 5
Rendimento
Il rendimento di una macchina frigorifera viene chiamato Effetto utile frigorifero (o EER,
rapporto di efficienza energetica) ed è definito dal rapporto del calore estratto con il lavoro speso
per compiere l’operazione.
F
QEV
L
Questo rapporto, a differenza dei normali rendimenti delle macchine termiche, può essere
maggiore di 1 ed in genere può arrivare fino a 5 o a 6 .
In alternativa all’effetto utile frigorifero, può essere usato il COP (Coefficient of
Performance) che è relativo alla macchina utilizzata come pompa di calore nei mesi freddi.
COP
ma :
QC QEV L
quindi
COP
QC
L
Q EV L
F 1 = EER+1.
L
Osservando i diagrammi della trasformazione, si può notare che in ogni passaggio qualche
proprietà termodinamica rimane costante.
Ad esempio:
41 :
dQ 0
Quindi, ricordando la definizione dell’entalpia:
Posso scrivere
h Q L
h L
9
L h1 h4
34:
Come prima:
Ma
L0
h Q
Q QEV
Q EV h4 h3
Alla luce di questi risultati posso esprimere l’Effetto utile frigorifero in funzione dei valori
delle entalpie che possono essere ricavati dalle tabelle termodinamiche relative alla particolare
miscela.
F EER
h4 h3
h1 h4
Analogamente, questi passaggi possono essere svolti anche per trovare il COP in funzione delle
entalpie.
COP
h1 h2
h1 h4
Miscele refrigeranti
Il buon funzionamento della macchine frigorifere è essenzialmente basato sul fluido
termodinamico che scorre attraverso le tubature del macchinario. Ogni fluido è caratterizzato da
proprietà termodinamiche differenti; quindi fluidi diversi garantiscono a macchinari identici
rendimenti diversi. Risulta evidente, a questo punto, l’importanza della scelta della miscela
refrigerante che garantisca al mio apparato frigorifero il rendimento più elevato possibile.
Storicamente il fluido maggiormente adottato per tali utilizzi è stato l’ammoniaca, di formula:
NH3.
Le caratteristiche termodinamiche di questo fluido assieme al suo basso costo di produzione ne
hanno fatto per anni la miscela prescelta per impianti frigoriferi.
Oltre a tanti pregi, l’ammoniaca, ha svelato anche qualche controindicazione nel corso degli anni:
Non è difficilmente infiammabile ed è nociva all’uomo se inalata in quantità considerevole.
Malgrado il primo svantaggio indicato non sia da sottovalutare a causa del secondo svantaggio la
società ha deciso di tutelarsi ampliando la ricerca chimica verso nuovi preparati sintetici
rigorosamente inerti nei confronti dell’uomo.
I migliori ritrovati in tal direzione, malgrado i loro effetti “collaterali” sull’ambiente, sono le
molecole appartenenti alla famiglia dei Clorofluorocarburi(CFC) (R11 – R12 – R……) e degli
IdroCloroFluorocarburi (R22 – R404 …..).
SCHEMA SULL’EVOLUZIONE DELLE MISCELE REFRIGERANTI
CFC (R12) Cloro-Fluoro-Carburi (Cloro – Fluoro – Carbonio)
ODP = 1 (potere distruttivo dell’ozono)
All’inizio del ‘900 in America c’è stata la prima sintesi dei tre gas. Negli anni ’70-’80 si è scoperto
che sono ozonolesivi.
10
HCFC (R22) Idro-cloro-fluoro-carburi (Idrogeno – Cloro – Fluoro – Carbonio)
ODP = 0,05
Molto usati in America e nei paesi in via di sviluppo.
HFC (R410A, R134A) Idro-fluoro-carburi (Idrogeno- Fluoro- Carbonio)
ODP =0
Utilizzati in Europa
Presentano il problema che contribuiscono all’aumento dell’effetto serra.
GWP (indicatore effetto sera) : L’anidride carbonica CO2 ha GWP = 1 e gli HFC hanno GWP
intorno a 1500!
HC (R290 = propano) Idro-carburi ( Idrogeno – Carbonio) Tra cui il Propano
ODP = 0 e GWP = 3
I frigoriferi degli ultimi anni usano gas naturali che hanno un GWP tra 5 e 8; per esempio i
frigoriferi attuali usano l’isobutano R600a.
Gli idrocarburi
Anche gli idrocarburi (isobutano e miscele di propano e isobutano) vengono utilizzati con successo
come fluidi frigoriferi nei refrigeratori e nei congelatori.
Il propano ha, inoltre, la caratteristica di poter sostituire in maniera soddisfacente l’R22.
Utilizzando uno scambiatore di calore interno esso permette di ottenere un’efficienza maggiore
dell’R22 a parita' di capacita' frigorifera. Mettendo a confronto R22 e R290, risulta che l’impianto
che utilizza il propano:
non richiede praticamente modifiche rispetto alla tecnologia attuale
presenta temperature di scarico del gas molto inferiori
permette di ottenere un’efficienza migliore dell’impianto a R22
richiede una riduzione della carica di refrigerante dell’impianto di circa il 50%
L’unico problema dell’R290 e' l’infiammabilita': i regolamenti spesso proibiscono l’utilizzo di questo
accettabile fluido dal punto di vista ambientale. Oggi in alcuni paesi europei l’uso di refrigeranti
infiammabili e' proibito in locali sotterranei ed in edifici residenziali e commerciali. Tali disposizioni
risalgono a circa 30 anni fa, e dovrebbero essere modificate in virtu' della presa d’atto della
completa ermeticita' di tali impianti e delle ridotte cariche cui vanno soggetti.
Alcune parti sono tratte da :
pcfarina.eng.unipr.it/dispense01/ferrari131660/ferrari131660.doc -Corso di Fisica Tecnica –
A.S. 2001/2002 - Elenco delle Dispense Informatizzate CdL Ing. Elettronica, Informatica, Telecomunicazioni
http://it.wikipedia.org
http://www.centrogalileo.it/nuovaPA/Articoli%20tecnici/refrigeranti%20HFC.htm
Incontri e processi costruttivi
11
Per realizzare questo esperimento abbiamo dovuto organizzare più incontri con i tecnici della ditta
De Longhi e per la precisione sono stati cinque. Tutti quanti hanno avuto una durata di due ore e
mezzo;
Nel primo incontro ci hanno fatto accomodare in uno studio e abbiamo conosciuto l'ing. Aloisi, l'ing.
Zanolin e i due tecnici che ci hanno seguito nella realizzazione pratica di tutto l’esperimento.
Dopo la prima mezz’ora di discussione sul piano organizzativo, abbiamo cominciato a parlare del
perché dell’esperimento, dei materiali utilizzati e infine siamo arrivati nel cuore del primo incontro,
ossia tutta la parte teorica. Abbiamo visto come leggere i grafici specifici del propano, l’ing. Aloisi ci
ha poi introdotto alcuni termini specifici e unità di misura a noi sconosciute e infine abbiamo
disegnato e compreso tutto il ciclo che il gas deve fare per far funzionare il macchinario.
Nel secondo incontro abbiamo prima di tutto calcolato la quantità di propano da immettere nel
macchinario, consultando alcuni grafici. Tenendo presente che l’efficienza della macchina varia a
seconda delle condizioni ambientali in cui lavora abbiamo fatto una stima sulla quantità di gas da
introdurre.
In secondo luogo abbiamo assistito alla tecnica di saldatura di tutte le componenti (infatti la
macchina non era ancora stata assemblata). Come già descritto è stata utilizzata la tecnica della
brasatura.
Questa infatti non collega i pezzi tra loro per fusione, ma utilizzando una barra di metallo ausiliario,
collega i pezzi tra loro per capillarità. Con una fiamma ossiacetilenica è stata infatti sciolta una lega
di stagno-argento rivestita da una particolare sostanza disossidante che permette una saldobrasatura efficace in grado di prevenire perdite di gas anche ad alte pressioni interne.
Dopo aver saldato tutte le componenti abbiamo creato il vuoto all’interno dei tubi grazie ad una
pompa apposita, collegata a delle valvole inserite nei tubi, delle quali ci serviremo anche
12
successivamente per inserire il propano. Conclusa questa operazione abbiamo posato la bombola di
propano sopra ad una bilancia elettronica tarata a 0 e abbiamo collegato il tubo dalla bombola alla
valvola dei tubi dell’apparecchio.
Successivamente abbiamo aperto la valvola fino alla fine del trasferimento della quantità di gas
desiderata, controllata tramite il peso misurato dalla bilancia.
Nel terzo incontro il lavoro è stato meno manuale, infatti abbiamo inserito la macchina completa
dentro ad una camera calorimetrica e l’abbiamo collegata a alcuni tipi di strumentazione per
monitorare tutto quello che avveniva all’interno e all’esterno dell’apparecchio.
Mentre aspettavamo che, dopo essere stato acceso, il sistema raggiungesse una certa stabilità
(venti minuti circa), abbiamo ripassato un po’ la teoria del ciclo di Carnot.
Durante l’ora e mezza rimanente abbiamo preso tutti i dati forniti dal computer collegato alla
camera e abbiamo stilato la Tabella dei dati, con tutte le varie prove fatte cambiando alcuni
parametri .
13
Nel quarto incontro sono stati eseguite altre misure,
cambiando ulteriormente i parametri ed i risultati sono
stati a loro volta inseriti nella Tabella dati.
Il quinto incontro si è svolto presso la sede del liceo L. Da Vinci (TV) e ci è stata consegnata la
macchina completa. È stata aggiunta dai tecnici della De Longhi un rivestimento in alluminio e
plexiglass in modo da rientrare nelle norme di sicurezza e da permettere la visione del suo interno.
Sono stati aggiunti dei numeri sulle principali parti del ciclo in modo da poter verificare, grazie al
nuovo misuratore elettronico installato a fronte del macchinario, tutte le temperature e capirne
meglio il funzionamento. Nell’ultimo incontro abbiamo effettuato altre serie di misure per testare il
prototipo.
14
PROCEDIMENTO DI MISURA
MATERIALE
La raccolta dati è stata svolta per la prima parte in una camera calorimetrica compensata con i
seguenti strumenti di misura:
Temperatura :
Acquisitore dati marca YOKOGAWA modello MX100
Sonde temperatura marca TERSID modello P-26-TT range -40°C a +350 °C precisione 0,5°C
Pressione :
Acquisitore dati marca YOKOGAWA modello MX100
Trasmettitori di pressione di precisione marca GEFRAN modello TPSA:
range 0-50 bar precisione 0,1% fondo scala
range 0-100 bar precisione 0,1% fondo scala
Tensione, corrente, potenza :
Wattemetro marca ELETTROTEST modello VIW INT/M-R :
Tensione - range 0 – 600Volt precisione ±0,3% fondo scala
Corrente - range 0 – 50A f.s. precisione ±0,3% fondo scala
Potenza - range 40 – 3000Watt f.s. precisione ±0,5% fondo scala
RACCOLTA DEI DATI
Nella seguente tabella vengono presentate n° 6 prove con le seguenti varianti:
1.
Carica di Propano.
2. Velocità della ventola del condensatore.
3. Velocità della ventola dell’evaporatore.
4. Temperatura e umidità dell’ambiente.
15
TABELLA DATI
PROVA
INPUT
Tamb
Uamb
Vventola evaporatore
Vventola condensatore
Carica HC
OUTPUT P1=P2
°C
%
giri/min
giri/min
g
A
B
C
D
E
F
25,2
24,9
24,9
24,9
35
35
40
41
41
41
40
80
max(230) max(230)
max(230) medio(141) max(230) max(230)
max(230) max(230) medio(190) max(230)
max(230) max(230)
60
70
70
70
65
65
bar,rel
20,15
20,20
20,90
19,40
22,70
22,90
P3=P4
T evaporatore
P compressore
T condensatore
bar,rel
°C
W
°C
4,03
2,00
300
60,00
4,14
2,00
300
60,00
4,23
3,30
305
61,70
3,80
0,50
290
58,25
4,40
4,40
320
65,50
4,75
6,75
327
66,20
T1
°C
82,30
70,70
71,80
66,30
96,80
100,20
T2
°C
39,10
38,40
40,90
37,00
55,40
55,40
T3
°C
0,60
1,35
1,90
-1,00
5,40
6,70
T4
°C
3,80
1,30
1,90
-1,00
23,40
29.00
H1
KJ/Kg
385
360
360
345
418
418
H2
KJ/Kg
10
10
17
2
58
55
H3
KJ/Kg
10
10
17
2
58
55
H4
Qcondensazione
Qevaporatore
EERr
EERt
COPr
COPt
KJ/Kg
KJ/Kg
KJ/Kg
285
375
275
2,02
2,75
2,75
3,75
285
350
275
2,02
3,67
2,57
4,67
282
343
265
1,91
3,40
2,47
4,40
290
343
288
2,18
5,24
2,60
6,24
327
360
269
1,85
3,00
2,50
4,00
325
363
270
1,82
2,90
2,40
3,90
P1=P2
bar,ass
21,15
21,20
21,90
20,40
23,70
23,90
P3=P4
bar,ass
5,03
5,14
5,23
4,80
5,40
5,75
P1=P2
Mpa
2,115
2,12
2,19
2,04
2,37
2,39
P3=P4
Potenza condensatore
Potenza evaporatore
Differenza = potenza
compressore
Mpa
W
W
0,503
825,00
605,00
0,514
770,00
605,00
0,523
754,60
583,00
0,48
754,60
633,60
0,54
792,00
591,80
0,58
798,60
594,00
W
220,00
165,00
171,60
121,00
200,20
204,60
ELABORAZIONE DEI DATI
Abbiamo annotato la pressione dei punti 1,2,3,4 (P)(bar rel); temperatura del condensatore e
dell’evaporatore (T)(°C);la potenza del compressore (P)(W);le temperature dei punti 1,2,3,4 .
Dalle Temperature siamo poi risaliti alla misura dell’entalpia specifica (H)(kJ/kg).
Dalle misure dell’entalpia specifica possiamo risalire alla quantità di calore ceduto(Qc) e calore
assorbito (Qe)(kJ/kg).
Da questi dati otteniamo due valori EER, Energy Efficiency Ratio,parametro che indica l’efficienza
elettrica di un climatizzatore mentre funziona in raffreddamento,uno teorico espresso da EERt e
uno sperimentale EERr.
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Allo stesso modo otteniamo due valori per il COP, coefficient of perfomance, per il processo in
funzione di riscaldamento, uno teorico COPt e uno sperimentale COPr.
l'EER teorico è l'efficienza calcolata con i dati riportati sul grafico. Si calcola con la seguente
espressione:
EERt=(H4-H3)/(H1-H4)
L'EER reale è invece calcolato considerando la potenza effettivamente assorbita dal compressore
(quella misurata dal Wattmetro). Si calcola con la seguente espressione:
EERr=Pevaporatore/Pcompressore=(Qa * Portata)/P compressore
L'EER reale è più basso di quello teorico in quanto in quello teorico si considera che la potenza
elettrica consumata sia esattamente pari all'aumento di entalpia del refrigerante (H1 - H4). Nella
realtà la potenza effettivamente assorbita è sensibilmente maggiore perchè parte della potenza
elettrica assorbita viene invece dissipata in calore, rumore e altri processi irreversibili.
Per il COP le formule sono analoghe:
COPt=(H1 - H2)/(H1 - H4)
COPr=Pcondensatore/Pcompressore
INTERPRETAZIONE DEI DATI
1-Variazione della carica di propano.
Consideriamo le raccolte A e B; le pressioni sono costanti mentre le temperature 3 e 4 tendono ad
allinearsi in una situazione di maggior carica di propano, COP e EER teorici si alzano ma quelli pratici
tendono a rimanere costanti perché le variazioni di carica sono molto basse.
2- Velocità della ventola del condensatore.
Consideriamo le raccolte B e C; le pressioni sono circa costanti, le temperature sono tutte maggiori
quelle della raccolta C, H3 e H2 sono maggiori nella raccolta C e COP e EER sia teorico che
sperimentale sono minori. Quindi per avere la massima resa è meglio avere uno scambio di calore fra
aria e condensatore aumentato da una ventola e tenere lo scambiatore senza corpi che ne possano
diminuire la superficie scambianti.
3- Velocità della ventola dell’evaporatore.
Consideriamo le raccolte B e D; nel caso D il sistema si comporta come nel caso B con la differenza
che le differenze sono maggiori. Quindi a maggior ragione lo scambio fra ambiente e evaporatore
deve essere aiutato dalla presenza di una ventola.
4- Umidità dell’ambiente.
Consideriamo le raccolte E e F, fatte in condizioni di umidità 40% e 80% ; le pressioni salgono
leggermente , la temperatura sale in 1, 3, 4 mentre rimane costante in 2.
COP e EER sia teorico che sperimentale rimangono circa costanti. Quindi possiamo dire che questo
sistema non è molto influenzato dall’umidità dell’ambiente.
Concludendo, possiamo affermare che un sistema di questo tipo caricato con una quantità corretta
di propano, con scambiatori molto efficienti e con portate elevate d’aria, ha una resa ideale
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La seconda serie di misure è stata effettuata presso il Liceo utilizzando i sensori di temperatura
montati sul prototipo, senza misuratori di pressione e potenza, nella modalità di utilizzo del
prototipo a scuola.
COSA FARE
Predisporre una tabella per registrare le misure.
Accendere il sistema e aspettare 3 minuti che si avvii il compressore (la partenza ritardata
serve a proteggere il compressore);
Accendere i ventilatori e aspettare che le temperature segnate sul display si stabilizzino..
Annotare i valori delle temperature indicate dalle sonde.
Calcolare le temperature del condensatore (Tc) e dell’evaporatore (Tev) come media
rispettivamente di T1, T2 e T3, T4:
Tc = (T1 + T2)/2 e Tev = (T3 + T4)/2.
Ricavare dai valori delle temperature Tc e Tev le rispettive pressioni mediante la tabella di
conversione allegata ( si tenga conto che P1 = P2 e P3 = P4). Si convertano le misure da bar a
MPa moltiplicando per 0,1.
Riportare le misure delle pressioni sul grafico “pressione su entalpia” facendo attenzione alla
scala logaritmica e tracciare le rette parallele all’asse x.
Segnare le intersezioni fra le rette della pressione e le curve relative alle temperature
misurate e indicare i punti con i numeri corrispondenti; si tenga conto che 2 deve essere
allineato a 3 parallelamente all’asse y.
Quindi ricavare le 4 misure dell'’entalpia graficamente come ascisse dei 4 punti tenendo
conto anche che H2 = H3.
Calcolare il calore ceduto dal condensatore (Qc = H1-H2), il calore assorbito
dall’evaporatore (Qev = H4–H3) e il lavoro elettrico speso Le = Qc – Qev = H1–H4.
Ricavare il rapporto di efficienza energetica
EER
Qev H 4 H 3 , e il coefficiente di
Le
H1 H 4
prestazione COP Qc EER 1 .
Le
18
INPUT Tamb
°C
22
Uamb
%
54
Vventola evaporatore
giri/min max(230)
Vventola condensatore giri/min max(230)
Carica HC
Portata media su 65 g
OUTPUT P compressore
g
65
kg/s
0,0022
W
290
T1
°C
66,4
T2
°C
36,7
T3
°C
2,3
T4
°C
3,3
T evaporatore
°C
2,8
T condensatore
°C
51,6
P1=P2
bar,ass 17,8
P3=P4
bar,ass
5,0
P1=P2
MPa
1,78
P3=P4
MPa
0,50
H1
kJ/Kg
362
H2
kJ/Kg
-2,0
H3
kJ/Kg
-2,0
H4
kJ/Kg
280
Qcondensazione
kJ/Kg
364
Qevaporatore
kJ/Kg
282
Potenza condensatore
W
801
Potenza evaporatore
W
620
Differenza = potenza
compressore
W
180
19
EER t
3,4
COP t
4,4
EER (reale)
2,1
Tabella per ricavare le pressioni del gas propano
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COSA SI OSSERVA
Notiamo che la temperatura dell'’aria all’uscita del condensatore è piuttosto alta mentre all’uscita
dell'’evaporatore è più fredda rispetto all’ambiente.
Si osserva il funzionamento di un ciclo frigorifero in cui si pùò scaldare o raffreddare un ambiente
solo grazie allo spostamento del calore dell’aria, reso possibile dalla variazione di pressione e di
stato del gas contenuto all’interno della pompa di calore, e di poter raggiungere in questo modo
temperature molto superiori o inferiori a quella dell’aria stessa.
Dopo aver annotato le misure sul grafico si nota che viene a formarsi un trapezio rettangolo con
base maggiore nella parte superiore e si trova in parte all’interno della campana.
La campana rappresenta il passaggio di stato del propano fra liquido e gas. All’interno della campana
coesistono liquido e vapore e le linee di temperatura sono orizzontali.
COSA ACCADE
Il propano, cambiando di stato all’interno del condensatore (1-2) e dell'’evaporatore (3-4), cede
calore all’esterno durante la condensazione e ne acquista per l’evaporazione rispettivamente
scaldando e raffreddando l’aria esterna.
Questi cambiamenti di stato si possono notare dalle diverse posizioni dei punti sul grafico: a sinistra
il propano si trova in forma liquida mentre a destra in stato gassoso.
La quantità di calore ceduto (Qc) è rappresentata dalla base maggiore del trapezio mentre quella del
calore assorbito (Qa) da quella minore.
Notiamo che la quantità di calore assorbito è minore di quella del calore ceduto poiché a quest’ultimo
si somma il lavoro elettrico.
Non esiste una sostanziale differenza tra la macchina frigorifera e la pompa di calore, entrambe
possono essere schematizzate con il medesimo grafico.
La funzione del frigorifero domestico (macchina frigorifera) si esplica nella sottrazione di calore
dagli alimenti in esso introdotti (effetto utile), tale calore viene poi fornito all’ambiente esterno e
così dissipato (effetto secondario). L’ambiente dove ottengo il risultato utile corrisponde all’interno
del frigorifero.
Situazione contraria si ottiene durante il riscaldamento domestico da parte di una pompa di calore ,
in questo caso il serbatoio freddo T2 è l’ambiente esterno a cui viene sottratto calore (effetto
secondario) il quale viene successivamente ceduto all’interno dell’abitazione. (effetto utile).
Dalla tabella risulta che la potenza elettrica consumata (potenza compressore = potenza
evaporatore – potenza condensatore = 180 W) è sensibilmente minore della potenza elettrica
effettivamente assorbita dal compressore (290 W): questo avviene perché parte della potenza
elettrica assorbita viene invece dissipata in calore, rumore e altri processi irreversibili. Quindi l’EER
calcolato dal grafico è un valore teorico, mentre quello reale è EER(reale) = Pev/Pc = (Qev *
portata)/ P compressore.
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