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Tecnica del freddo G. Grazzini, A. Milazzo
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Cicli ad assorbimento
Anche in questo caso si ha la sostituzione dell'energia meccanica necessaria al
funzionamento del compressore, con energia termica a temperatura non elevata; il
compressore viene sostituito dal gruppo assorbitore-pompa-generatore.
Il vapore sviluppatosi
nell'evaporatore a spese
della sorgente fredda
viene assorbito da una
soluzione formata dal
refrigerante e da un
adeguato solvente. Dato
che il vapore in equilibrio
col proprio liquido ha una
pressione molto maggiore
di quella che caratterizza
l'equilibrio
con
la
soluzione
alla
stessa
temperatura,
diventa
possibile
anche
l'assorbimento di vapore
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proveniente da un evaporatore a temperatura più bassa di quella di funzionamento
dell'assorbitore. I due componenti α e β della miscela saranno scelti in modo che a pari T
e V si abbia Pα>>Pβ ; allo stesso tempo dallo schema abbiamo che le due pressioni
nell'evaporatore e nell'assorbitore sono eguali quindi:
Pe= Pα(Te)= Pa= µα Pα+µβ Pβ ≈ µα Pα(Ta) utilizzando la legge di Raoult per le soluzioni
ma essendo la frazione molare µα< 1 ⇒ Ta > Te
L'assorbimento arricchisce di refrigerante la soluzione; la soluzione ricca di refrigerante
viene inviata al generatore, che si trova a pressione più elevata dell'assorbitore. La
pressione più alta comporta che anche la temperatura di equilibrio tra vapore e liquido sia
più elevata; fornendo energia termica alla soluzione il vapore si separa nuovamente e può
ripetere il ciclo frigorifero andando al condensatore, alla valvola di laminazione 2-3 e di
nuovo all'evaporatore ed all'assorbitore. Nello stesso tempo la soluzione che ha liberato il
refrigerante torna all'assorbitore passando per una valvola di laminazione che permette di
mantenere la differenza di pressione tra assorbitore e generatore. La soluzione che va alla
laminazione, 9, riscalda in controcorrente quella che va al generatore realizzando così un
recupero di energia, ma soprattutto contribuendo a mantenere la differenza di temperatura
tra i due apparati.
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Il fabbisogno di energia meccanica della pompa è modesto rispetto all'energia termica
richiesta (1-2%), quindi per il COP si ottiene la stessa relazione delle macchine ad
eiezione. La prima macchina di Le Carré usava acqua e acido solforico. Oggi molto usata
è la coppia LiBr-H2O, dove l'acqua è il fluido frigorigeno, che, oltre al problema del punto
triplo che limita il campo di utilizzazione a temperature superiori a 0°C, può dare problemi
di cristallizzazione infatti:
con conseguenti rischi di blocco per la macchina. Per questi cicli il COP non è alto. Per
innalzarlo si potrebbe considerare la possibilità di produrre più lavoro innalzando la
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temperatura del generatore. A causa della cristallizzazione, per la coppia LiBr, questa ha un
limite massimo legato alla temperatura dell'assorbitore; non resta quindi che migliorare
l'efficacia del sistema di produzione del
vapore. E' quello che si fa nelle macchine
ad assorbimento a due stadi, ottenendo un
miglioramento
del
COP
ed
un
peggioramento del rendimento di II
Principio.
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Schema di macchina monostadio a LiBrH2O
Sono per lo più piuttosto ingombranti e
di grossa potenza; hanno il problema di
lavorare a bassa pressione, minore di
quella atmosferica.
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Assorbitore
alimentato
direttamente
a gas,
spesso
proposto
anche come
caldaia
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Un'altra coppia di fluidi usata è H2O-NH3, dove la seconda è il fluido frigorigeno. In questo
caso si può scendere sotto 0°C , ovviamente con una riduzione del COP
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Diminuisce anche il rendimento di secondo principio poiché aumenta la temperatura di
alimentazione:
Altre coppie di fluidi sono state studiate ed anche proposte commercialmente, ma al momento
quelle citate sono le uniche due correntemente usate.
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evaporazione t=4.5 °C
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Proiezione sul piano T-s del
diagramma T-s-x per la miscela
H2O-NH3.
Il grafico permette di valutare la
variazione della quantità di
acqua alle varie temperature e
pressioni. Occorre considerare
che la separazione tra i due
fluidi non è molto semplice
causa la ridotta differenza tra le
pressioni parziali.
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Questa è una idealizzazione del ciclo
precedente.
Come si vede sono facilmente individuabili i
due cicli sovrapposti; uno motore, l'altro
frigorifero.
E' possibile compiere un passo ulteriore
pensando
di
approssimare
queste
trasformazioni con dei cicli ideali.
Prima di tutto con dei cicli di Carnot che
abbiano la stessa area, dato che tutto il lavoro
prodotto da uno è assorbito dall'altro.
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E' evidente come la massima efficienza del sistema si abbia con la stessa temperatura al
condensatore ed all'assorbitore. Tuttavia il ciclo di Carnot non è l'unico a scambiare con due
sole sorgenti. Consideriamo quindi due cicli ideali Ericsson rigenerati. Sono cicli a gas, ma si
tratta di impostare un modello ideale con cui confrontare i sistemi reali.
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E' allora possibile ottenere un
doppio ciclo sovrapposto che può
essere percorso da un unico fluido
in varie fasi.
Alle
varie
trasformazioni
corrispon-dono i componenti dello
schema sottostante.
Il ciclo superiore motore in senso
orario e viceversa l'altro, con le
stesse aree. E' possibile seguire un
8 che chiude i due cicli.
Stiamo sempre considerando il
sistema come un frigorifero e
quindi l'effetto utile è QE
Anche questi sistemi possono
essere visti come pompe di calore
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azionate termicamente. In questa ottica avremo:
COPpc= (QC+QA)/QG = (QG+QE)/QG = 1+ QE/QG = 1+ COPf
esattamente come nel caso dei sistemi a compressione.
La costruzione di un
sistema
ideale
di
riferimento serve però
anche ad ideare nuove
macchine.
Che
succede
se
invertiamo il modo di
percorrere i due cicli?
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Considerando cicli Ericson e
ragionando come prima possiamo
pensare di costruire la macchina
con i componenti di figura
assorbendo calore al Generatore e
all'Evaporatore alla temperatura
intermedia TG e cedendolo alla
temperatura più bassa TC avendo
come effetto utile la cessione del
calore QA alla temperatura TA
realizzando così un
TRASFORMATORE DI
CALORE
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In pratica avremo la macchina che segue:
Con un COP reale di circa 0.5 ottenuto come:
COP≈QA/(QG+QE)
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Una macchina ad assorbimento particolare è
quella che segue il cosiddetto ciclo Electrolux,
dalla casa che lo ha commercializzato.
Nel 1922 Baltzar von Platen e Carl Munters,
studenti al Royal Institute of Technology di
Stockholm, svilupparono l'analisi del ciclo a tre
fluidi. Un ciclo simile fu proposto nel1926 da
Albert Einstein e dal suo allievo Leó Szilárd
conosciuto come frigorifero di Einstein mostrato
qui accanto.
Vediamo ora il funzionamento del ciclo
Electrolux.
Si tratta di un sistema che usa H2O, NH3 e H2
mantenendo tutto il sistema alla stessa pressione
ed ottenendo la separazione dei fluidi fornendo
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energia termica nel
riscaldatore (in genere
elettrico od a fiamma) H (in
nero). D è il generatore dove
l'ammoniaca si separa
dall'acqua e fluisce verso il
condensatore R1 subendo un
ulteriore raffreddamento in R2.
Passa poi nell'evaporatore E
dove gassifica in presenza di
idrogeno che resta inerte e
serve solo a mantenere la
pressione totale uniforme e
pari a quella del generatore e
dell'assorbitore A.
La pressione parziale
dell'ammoniaca in E è minore
di quella in D e maggiore di
quella in A. Nell'assorbitore A
l'ammoniaca va in soluzione
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nell'acqua in caduta sui piatti, così da avere grande superficie di contatto; poiché in questa
fase si libera calore, esso viene asportato dal refrigerante R3.
L'acqua ricca di ammoniaca passa nello scambiatore S e poi viene riscaldata da H, che
fornisce calore sia al generatore D per la separazione dell'ammoniaca dall'acqua che alla
pompa a bolle PB, che porta la miscela ricca nel generatore D. La pompa a bolle permette
di salire ad una quota maggiore di A poiché avendo il fluido una minore densità, a causa
delle bolle, è necessaria un'altezza maggiore per fornire alla base della colonna la stessa
pressione.
Questo tipo di ciclo senza parti in movimento è molto silenzioso e perciò diffuso nei
frigoriferi degli alberghi, oltre che in tutte le situazioni in cui è più facile disporre di calore
che di energia elettrica, come ad esempio nelle roulottes.
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