Approfondimenti sul ciclo termodinamico adottato dagli assorbitori

Approfondimenti sul ciclo termodinamico adottato
dagli assorbitori alimentati ad acqua calda
Michele Colaiemma
[email protected]
L’utilizzazione di acqua calda, a
temperature relativamente basse,
comprese fra i 70 e i 95 °C, permette
di ottenere mediante un opportuno
processo termodinamico, denominato
assorbimento, acqua refrigerata
idonea all’azionamento di impianti di
climatizzazione ambientale (confort
cooling). Acqua refrigerata agli stessi
livelli
termici
può
essere
convenientemente impiegata anche
in applicazioni industriali (process
cooling).
La tecnologia dell’assorbimento
adottata
risulta
particolarmente
conveniente in tutti quei casi in cui
sia disponibile calore a costo nullo o
assai ridotto, atto all’ottenimento di
acqua calda alle temperature sopra
indicate.
Tale circostanza si verifica ad
esempio:
in
impianti
di
cogenerazione
o
di
teleriscaldamento,
in
processi
industriali con cascami di calore,
nelle sorgenti termali, in installazioni
a collettori solari o a biomassa ed
ovunque si disponga di un
combustibile a basso costo.
Nella presente monografia verranno presi in esame alcuni aspetti del processo termodinamico
utilizzato. Verrà in un primo tempo richiamato il ciclo termodinamico adottato, indi forniti i valori
di prestazione, ricavati sperimentalmente, per temperature di erogazione dell’acqua refrigerata
diverse da quella nominale pari a 7 °C.
Saranno quindi illustrate le motivazioni che hanno determinato i valori di prestazione sopra indicati.
Ciclo ad assorbimento a singolo effetto
La figura 1) illustra il principio di funzionamento degli assorbitori considerati, in un ciclo a
semplice effetto. Con riferimento alla stessa si avrà:
Generatore
L’acqua calda di alimentazione riscalda, portandola all’ebollizione, la soluzione diluita di acqua e
bromuro di litio (di seguito LiBr) contenuta nel generatore. L’ebollizione libera vapore acqueo
(refrigerante) ed arricchisce la soluzione di LiBr. La soluzione concentrata viene raccolta e
preraffreddata, passando attraverso uno scambiatore di calore, prima di venire immessa
nell’assorbitore.
Condensatore
Il vapore refrigerante perviene al condensatore dove condensa sulla superficie delle serpentine del
circuito di raffreddamento. Il calore di condensazione è rimosso dall’acqua di raffreddamento e
smaltito attraverso la torre di evaporazione. Il liquido refrigerante, raccolto nel condensatore, passa
quindi nell’evaporatore attraverso un’apposita apertura.
Evaporatore
La pressione esistente nell’evaporatore è assai più bassa di quella del generatore e del condensatore
per l’influenza esercitata dall’assorbitore.
Per questo motivo il liquido refrigerante, una volta entrato nell’evaporatore, bolle ed assorbe calore
evaporando sulla superficie della serpentina del circuito dell’acqua da refrigerare. Il vapore
refrigerante ottenuto fluisce quindi nell’assorbitore.
Figura 1 - Ciclo ad assorbimento a singolo effetto
Assorbitore
La bassa pressione nell’assorbitore è dovuta all’affinità chimica fra la soluzione concentrata di LiBr
proveniente dal generatore ed il vapore di refrigerazione che si forma nell’evaporatore. Il vapore
refrigerante viene assorbito dalla soluzione concentrata di LiBr mentre quest’ultima lambisce la
superficie della serpentina dell’assorbitore. Il calore di diluizione è rimosso dall’acqua di
raffreddamento. La soluzione diluita di LiBr è poi preriscaldata nello scambiatore di calore, prima
di ritornare nel generatore.
Cooling Capacity %
Campi di lavoro
100
Lower limit setting
Standard setting
Upper limit setting
70
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18
Chilled water temperature outlet ‹C
Figura 2 - Campi di lavoro degli assorbitori considerati
La figura 2) riporta i campi di lavoro degli assorbitori considerati, in termini di temperature di
mandata e di ritorno dell’acqua refrigerata. Come si può rilevare dalla stessa, la temperatura limite
inferiore di mandata è di 5,5 °C e quella massima di ritorno è di 19,5 °C. Il campo di lavoro
nominale è quello con mandata a 6,5 °C e ritorno a 10,5 °C (standard setting). Va notato che il
differenziale di temperatura fra mandata e ritorno, pari a 4°C, rimane costante per qualsiasi campo
di lavoro adottato.
Curve caratteristiche di refrigerazione
Di seguito vengono riportate nelle figure 3), 4) e 5) le curve di refrigerazione dell’ assorbitore WFC
SC 30, di potenza frigorifera nominale pari a 105 kW, per diverse temperature di mandata
dell’acqua refrigerata, in funzione di differenti temperature dell’acqua di alimentazione e di quella
di condensazione. Come si può rilevare dalle stesse, la potenza frigorifera erogata corrispondente
cresce all’aumentare dei valori di temperatura di erogazione fino a stabilizzarsi asintoticamente per
i valori più elevati.
Va precisato che le curve attinenti gli altri modelli della serie di assorbitori considerati risultano del
tutto simili a quelle sopra illustrate.
I corrispondenti valori dei coefficienti di prestazione COP, riportati nelle figure, mostrano
similmente un andamento crescente con l’incremento delle temperature di erogazione dell’acqua
refrigerata.
WFC – SC 30 (temperatura di condensazione 24 °C)
Chilled Water Outlet Temperature Characteristic
160
Potenza frigorifera kW
Cooling
Capacity(kW)
140
120
100
80
60
40
20
0
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Temperatura di mandata acqua refrigerata °C
1.0
0.9
0.8
COP
COP
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
4
6
8
10
Temperatura
di mandata
acquaTemperature(deg
refrigerata °C
Chilled
water
Outlet
C)
Temperatura acqua calda di alimentazione:
95°C
80°C
88°C
75°C
85°C
Figura 3 - Curve caratteristiche di prestazione per temperature di condensazione (inlet) a 24°C
12
13
WFC – SC 30 (temperatura di condensazione 29,5 °C)
Chilled Water Outlet Temperature Characteristic
160
Potenza frigorifera kW
Cooling Capacity(kW)
140
120
100
80
60
40
20
0
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Temperatura di mandata acqua refrigerata °C
1.0
0.9
0.8
COP
COP
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
4
5
6
7
8
9
10
11
Temperaturawater
di mandata
acqua Temparature(deg
refrigerata °C
Chilled
Outlet
C)
12
Temperatura acqua calda di alimentazione:
95°C
80°C
88°C
75°C
85°C
Figura 4 - Curve caratteristiche di prestazione per temperature di condensazione (inlet) a 29,5°C
13
WFC
– SC Water
30 (temperatura
di condensazione
31 °C)
Chilled
Outlet Tempere
Characteristic
160
Potenza frigorifera
kW
Cooling
Capacity(kW)
140
120
100
80
60
40
20
0
4
6
8
10
12
Temperatura di mandata acqua refrigerata °C
1.0
0.9
0.8
COP
COP
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
4
6
8
10
Chilled
Water
Outlet
Temperature
Temperatura
di mandata
acqua
refrigerata °C (deg C)
Temperatura acqua calda di alimentazione:
95°C
80°C
88°C
75°C
85°C
Figura 5 - Curve caratteristiche di prestazione per temperature di condensazione (inlet) a 31°C
12
Coefficiente di prestazione/ COP
L’operatività delle apparecchiature considerate è determinata dall’apporto di calore, dalle
temperature di raffreddamento e di condensazione nell’assorbitore e nel condensatore e dal carico
frigorifero.
Le prestazioni termodinamiche nominali di un assorbitore sono sintetizzate dal coefficiente di
prestazione/COP, che è il rapporto tra la potenza frigorifera ricavata e quella termica utilizzata:
COP =
kWf
kWt
I parametri di progetto degli assorbitori analizzati sono i seguenti:
- temperatura dell’acqua di alimentazione (inlet)
88 °C
- temperatura dell’acqua di condensazione (inlet)
31 °C
7 °C
- temperatura dell’acqua refrigerata
(outlet)
- portata circuiti idronici (riportata nelle schede tecniche dei singoli modelli).
In condizioni di funzionamento a regime (steady state), ne risulta un COP pari a 0,7.
I potenziali termodinamici considerati risultano i seguenti:
Qg = entalpia al generatore
Qc = entalpia al condensatore
Qe = entalpia all’ evaporatore
Qa = entalpia all’ assorbitore
Accurati esami di laboratorio dimostrano che il COP subisce incrementi o decrementi marginali
rispetto al valore nominale, sopra riportato, dovuti ad un’ interazione delle temperature variabili
dell’acqua di alimentazione (e quindi di Qg), dell’acqua di raffreddamento e di condensazione ( e
quindi di Qa e Qc) e dell’acqua refrigerata (e quindi di Qe).
Variazione della temperatura dell’acqua di raffreddamento
In breve, si ottiene un incremento marginale del COP allorchè Qg produce una quantità di vapore
refrigerante Qc che condensa perfettamente nel condensatore ed il liquido refrigerante così
prodotto, evapora interamente nell’evaporatore. Questa circostanza, ideale (teorica), per la quale:
entalpia Qc = entalpia Qe
si verifica di norma alle più basse temperature di condensazione.
A temperature di condensazione più elevate, Qg produce una maggiore quantità di vapore
refrigerante e quindi di liquido refrigerante. In questo caso essendo;
entalpia Qg > entalpia Qc
si verifica, in una qual misura, un’evaporazione rapida (flash evaporation) del liquido refrigerante
nell’evaporatore, con una conseguente flessione marginale del COP.
La tabella seguente riporta alcuni valori di prestazione ottenuti sperimentalmente per l’assorbitore
WFC SC 30. In funzione di temperature diverse dell’acqua di alimentazione e di condensazione
vengono precisati i valori di potenza termica fornita alla macchina, quelle di potenza frigorifera
erogata dalle stessa ed i valori di COP conseguenti.
Temp. acqua
alimentazione
(inlet)°C *
88
88
88
88
77
77
77
77
Temp. acqua
condensazione
(inlet)°C †
32
31
29,5
27
32
31
29,5
27
Potenza termica
di alimentazione
kW
124,6
142,3
155,9
175,4
67,9
79,2
93,6
118
Potenza frigorifera
di erogazione
kW
84,3
100,6
108,8
120,7
47,7
59,3
69,3
88,7
COP
%
0,67
0,70
0,70
0,69
0,70
0,75
0,74
0,75
Note:
* portata acqua di alimentazione adottata, 5,61 l/s, pari al 77% del valore nominale
† adottata portata nominale acqua di condensazione
Variazione della temperatura dell’acqua di alimentazione
Un incremento della temperatura dell’acqua calda di alimentazione, a parità di portata, tende a
liberare una maggiore quantità di liquido refrigerante dalla soluzione di LiBr. Considerando
invariata la temperatura dell’acqua di raffreddamento, ne risulta una maggiore produzione di liquido
refrigerante, dovuta al maggior valore di Qg.
Ciò comporta, in alcune circostanze, l’accentuazione di una evaporazione rapida (flash evaporation)
del liquido refrigerante nell’evaporatore. Sulle serpentine di scambio termico dell’evaporatore si
verifica, in aggiunta, un’irrorazione eccedente quella di progetto, studiata per una completa
efficiente evaporazione. Ne risulta una flessione marginale del COP totale.
Per contro la riduzione della temperatura dell’acqua di alimentazione, a parità degli altri parametri,
può produrre un leggero incremento del COP; ciò in quanto il vapore refrigerante prodotto genera
una quantità di liquido refrigerante, che eguaglia più da vicino quella che può essere più
propriamente evaporata.
È importante sottolineare come il valore di Qg sia funzione sia della temperatura, sia della portata
dell’acqua di alimentazione. Una riduzione della portata, con contemporaneo incremento della
temperatura, equivale in termini di somministrazione di calore ad un incremento di portata e ad una
riduzione della temperatura.
Variazione del carico frigorifero
Allorchè si verifica un eccesso di liquido refrigerante od un’ accentuazione di evaporazione rapida
(flash evaporation) nell’evaporatore, un incremento del carico frigorifero (o una riduzione della
temperatura dell’acqua refrigerata) si tramuterà in una più elevata capacità frigorifera ed in un più
alto valore di COP, giacché l’effetto di entrambi i fattori sopra citati viene in una qual misura
mitigato. Dalla più consistente disponibilità di liquido refrigerante ne deriva, pertanto, una
maggiore efficienza.
Concentrazione della soluzione di LiBr
Un fattore di primaria importanza, non considerato finora, è costituito dalla concentrazione della
soluzione di LiBr, connessa alla temperatura dell’acqua di alimentazione ed alla sua portata ed alla
temperatura dell’acqua di raffreddamento. L’interattività di questi valori influenza la tensione di
vapore e la temperatura alle quali il liquido refrigerante deve evaporare nell’evaporatore.
La valvola di controllo proporzionale LTPV, in dotazione alla macchina, è deputata a trattenere
parte del liquido refrigerante in circolazione in accumulo, allo scopo di elevare il livello di
concentrazione della soluzione residua (una più elevata concentrazione si traduce in una minore
pressione di vapore e quindi in una più elevata prestazione dell’evaporatore). La valvola LTPV
permette, per contro, anche di rilasciare il liquido refrigerante dall’accumulo, reimmentendolo in
circolazione, allo scopo di diluire la soluzione di LiBr (una minore concentrazione si traduce in una
più alta tensione di vapore e ridotte prestazioni dell’evaporatore).
L’attività della valvola LTPV è dettata dal carico di refrigerazione richiesto alla macchina, in
condizioni di esercizio diverse da quelle di funzionamento a regime (steady state). Essa opera in
modo da soddisfare il cambiamento di carico con una variazione continua dell’operatività
dell’evaporatore, variando la concentrazione di LiBr in funzione della quantità di liquido
refrigerante immagazzinato o rilasciato.
Peraltro, la quantità di calore fornita al generatore muta in funzione della necessità di portare
all’ebollizione la soluzione di LiBr. È importante notare come una più alta concentrazione di LiBr si
traduca in una più elevata temperatura di ebollizione. Al contrario una più bassa concentrazione ne
comporta una più ridotta.
Poiché il carico di refrigerazione può variare, in costanza dei parametri di temperatura dell’acqua di
raffreddamento e di quella di alimentazione, si verificano conseguenti variazioni di prestazione
della macchina. Si possono cioè rilevare incrementi o decrementi di potenza frigorifera o di COP in
un contesto di continua risposta dinamica.
Conclusioni
Gli assorbitori alimentati ad acqua calda, oggetto della presente disamina, sono dotati di un
microprocessore deputato alla regolazione continua dei diversi parametri operativi; ciò allo scopo di
conseguire le migliori prestazioni (best fit approach).
In altri termini, in ogni istante vengono regolate le variabili di funzionamento di ciascun
componente di interscambio di calore, in modo tale che tutti i parametri operativi della macchina
siano regolati con il minimo compromesso per quanto concerne le prestazioni e l’efficienza di
esercizio.
Può inoltre essere aggiunto che i piccoli mutamenti di prestazione rilevati sono da considerarsi
positivamente per la flessibilità di funzionamento possibile, in relazione alle variazioni imposte
dalle temperature e dalle portate del fluido di alimentazione, in un contesto in particolare di piccole
e medie potenze di recupero termico per le quali le macchine sono state progettate.
Descrizione componenti
Per una migliore comprensione di quanto precedentemente esposto, si riporta appresso la figura 6) e
la relativa tabella esplicativa. Vengono in esse elencati i differenti componenti delle apparecchiature
considerate, la loro collocazione all’interno delle stesse e le funzioni loro assegnate.
acqua di
raffreddamento
(outlet)
acqua calda
(outlet)
acqua calda
(inlet)
acqua
refrigerata
(outlet)
acqua di
raffreddamento
(inlet)
acqua
refrigerata
(inlet)
Soluzione
diluita
Soluzione
concentrata
Fluido refrigerante
Acqua
refrigerata
Acqua calda
Acqua di raffreddamento
Figura 6 - Schema funzionale degli assorbitori considerati
N.
Componente
1
Generatore (GE)
2
3
5
Condensatore (CO)
Recipiente di raccolta del
liquido refrigerante (RSV)
Valvola proporzionale del
refrigerante (LTPV)
Evaporatore (E)
6
Assorbitore (A)
7
Valvola di by-pass della
soluzione (SV9)
8
Valvola solenoide (SV1)
9
Valvola di conversione
(CVR)
Valvola del liquido
refrigerante (SV11)
Scambiatore (H)
4
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Pompa di soluzione (SP)
Assorbitore ausiliario
Separatore gas
incondensabili
Recipiente gas
incondensabili (GST)
Valvola di servizio gas
incondensabili
Valvola di servizio gas
incondensabili
Valvola di prelievo
soluzione diluita
Valvola di prelievo
soluzione concentrata
Filtro
23
24
25
Pannello di
comando (CB)
Flussometro acqua
refrigerata (FS)
Termostato (WTO)
Termostato (CTI)
Termostato (LT)
26
Termostato (HWT)
22
Funzioni svolte
Porta all’ebollizione la soluzione diluita di LiBr producendo vapore
refrigerante.
Condensa il vapore refrigerante producendo liquido refrigerante.
Raccoglie il liquido refrigerante mediante azionamento della valvola LTPV.
Valvola elettromagnetica proporzionale che controlla l’accumulo di liquido
refrigerante nel RSV.
Il calore di evaporazione del refrigerate è estratto dall’acqua da refrigerare
che fluisce nella serpentina del E.
Il vapore refrigerante sviluppatosi nel E è assorbito dalla soluzione
concentrata di LiBr. Il calore prodotto nel processo di assorbimento è
trasferito all’acqua di raffreddamento che circola all’interno della serpentina
del A.
Qualora le temperature del E o dell’acqua di raffreddamento scendano sotto
determinati valori, la valvola SV9 si apre per ridurre la portata di soluzione
all’A.
Se l’azione della valvola SV9 non dovesse arrestare l’abbassamento della
temperatura nell’E, la valvola SV1 si apre a 1 °C per permettere che della
soluzione diluita entri nel E.
Non presente nei modelli della serie WFC SC.
Controlla la quantità di liquido refrigerante in uscita da RSV.
Permette la scambio termico dalla soluzione concentrata calda alla soluzione
diluita fredda.
Spinge la soluzione diluita dall’assorbitore (A) al generatore (GE).
Raccoglie i gas non condensabili formatisi nell’assorbitore (A).
I gas raccolti nell’assorbitore ausiliario vengono separati dalla soluzione
diluita e trasferiti nel recipiente di raccolta gas (GST).
Trattiene i gas incondensabili.
Valvola per la rimozione dei gas incondensabili dal recipiente GST.
Valvola per la rimozione dei gas incondensabili nell’area A/E.
Valvola di accesso al circuito della soluzione diluita.
Valvola di accesso al circuito della soluzione concentrata.
La soluzione proveniente dall’assorbitore viene filtrata prima di entrare nella
pompa di soluzione.
Gestisce tutte le operazioni di comando ed interfaccia con i controlli esterni
(non riportato in figura).
Arresta l’operatività dell’unità se la portata dell’acqua refrigerata scende al
di sotto dell’80% di quella nominale.
Controlla la temperatura di uscita dell’acqua refrigerata.
Monitorizza la temperatura dell’acqua di raffreddamento.
Agisce sull’operatività dell’unità controllando la temperatura
dell’evaporatore.
Monitorizza la temperatura di ingresso dell’acqua calda di alimentazione.
Per ulteriori informazioni contattare:
Maya S.p.A.
Viale Monte Santo 4
20124 Milano MI
Tel: +39 02 290 60 290 - Fax: +39 02 290 04 036
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Milano 2/2012