LA GENERAZIONE DEL FREDDO DA ENERGIA TERMICA =1

LA GENERAZIONE DEL FREDDO DA
ENERGIA TERMICA
Incontro tecnico AICARR
Con la collaborazione di:
Sonnenkraft e Systema spa
Costante M. Invernizzi
[email protected]
Brescia, 12 dicembre 2008
Outline
1 I limiti termodinamici
2 Le macchine utilizzabili
3 I cicli frigoriferi ad assorbimento
4 L’uso della energia termica di origine solare
5 I collettori solari: piani ed a concentrazione
I limiti termodinamici
Lo schema concettuale di riferimento
L’efficienza, ε,
rapporto
fra
effetto l’utile e
l’energia (o la
potenza) spesa è
definita come:
ε=
q̇F
ẇ +q̇C
Esempio: i frigoriferi a compressione
• la potenza utilizzata
Schema semplificato di una macchina
frigorifera a compressione, [1]
per il funzionamento
della macchina è
potenza meccanica
(elettrica), ẇ
• l’evaporazione di un
fluido (il fluido
refrigerante) produce
l’effetto frigorifero q̇F
• il fluido refrigerante
cede all’ambiente (a
temperatura
superiore) la potenza
frigorifera e la
potenza meccanica:
q̇C = ẇ + q̇F
I limiti termodinamici
L’uso di energia termica: lo schema ideale di riferimento
Se
ε=
q̇F
q̇C
=
1
l’ambiente si trova alla
temperatura T0
2
l’energia necessaria al
funzionamento della macchina
frigorifera è energia termica qC ,
disponibile alla temperatura TC
3
l’utenza frigorifera è alla
temperatura TF
TC −T0
TC
F
× T0T−T
F
I limiti termodinamici
Calore sensibile: lo schema di riferimento
Se
1
l’ambiente si trova alla
temperatura T0
2
la potenza necessaria al
funzionamento della macchina
frigorifera è potenza termica q̇C ,
disponibile fra la temperatura TC ,a
e la temperatura TC ,b
3
la potenza frigorifera q̇F va fornita
ad una utenza a temperatura
variabile fra TF ,a e TF ,b
ε=
q̇F
q̇C
=
ṁC ×Cp,C (TC ,a −TC ,b )
ṁF ×Cp,F (TF ,a −TF ,b )
I limiti termodinamici
Calore sensibile: caso ideale
Se le macchine, con tutta la catena di trasformazioni e gli scambi
termici, sono ideali
ε =
=
q̇F
q̇C
T
ln TCC ,b,a −
TF ,a −TF ,b
T0
×
TC ,a −TC ,b
T0
− ln
TF ,a
TF ,b
TF ,a − TF ,b
TC ,a − TC ,b
Per esempio: TC ,a = 110 ◦ C, TC ,b = 90 ◦ C, TF ,a = 12 ◦ C, TF ,b =
7 ◦ C, T0 = 30 ◦ C. Si ottiene ε = 2.58
I limiti termodinamici
Lo schema di riferimento. Le prestazioni massime
La
resa
frigorifera
ideale ε = qqCF
in funzione
della temperatura
TC
per
quattro
valori
di TF .
La
temperatura
ambiente T0
è fissata a 30
◦ C.
ε=
qF
qC
=
TC −T0
TC
×
TF
T0 −TF
.
Le macchine utilizzabili
Ciclo Rankine con ciclo frigorifero a compressione. Caso ideale.
Ciclo frigorifero a compressione trascinato da un ciclo
Rankine, [2]
Le macchine utilizzabili
Ciclo Rankine con ciclo frigorifero a compressione. Caso ideale, II.
Coefficiente di resa
frigorifera per il sistema ideale in funzione della complessità molecolare del
fluido di lavoro, [2]
Le macchine utilizzabili
Ciclo Rankine con ciclo frigorifero a compressione. Alta temperatura
Configurazione di ciclo ed
organizzazione dei componenti per un sistema composto da un motore a fluido
organico e da una pompa di
calore (o ciclo frigorifero)
a compressione, [3]. Caso
con due fluidi di lavoro.
Le macchine utilizzabili
Ciclo Rankine con ciclo frigorifero a compressione. Alta temperatura: esempio, [4]
La seguente Tabella si riferisce al caso di pompa di calore
1
1
Con riferimento ad un sistema frigorifero le rese per le due configurazioni
risultano: (a) 1.05, (b) 1.15.
Le macchine utilizzabili
Ciclo frigorifero con eiettore. Calore a bassa temperatura
Configurazione di un ciclo frigorifero realizzato
mediante un eiettore, [2]
Le macchine utilizzabili
Ciclo frigorifero con eiettore. Le prestazioni
Effetto della complessità
molecolare e della temperatura di condensazione sulla efficienza frigorifera di
un sistema con eiettore. I
valori sono calcolati, [2].
Le macchine utilizzabili
Cicli a gas
Ciclo Brayton frigorifero
combinato con un ciclo di
turbina a gas con rigeneratore.
(a) Schema di
impianto; (b) Diagramma
temperatura–entropia, [5].
Può essere utilizzato un solo compressore per entrambe i cicli poichè essi operano allo stesso rapporto di
compressione.
Le macchine utilizzabili
Ciclo frigorifero ad assorbimento
Nelle macchine ad assorbimento la differenza di pressione
(temperatura) fra l’evaporatore ed il condensatore non è ottenuta
mediante un compressore ma con un insieme di elementi che
sfruttano le diverse proprietà di assorbimento e di de-assorbimento
di un fluido di lavoro (il fluido refrigerante) in un solvente liquido.
Il fluido refrigerante è il fluido caratterizzato dalla minore
temperatura di ebollizione.
Le miscele attualmente più impiegate sono
1
ammoniaca come fluido di lavoro e l’acqua come solvente
2
acqua come fluido refrigerante e bromuro di litio come
solvente
Le macchine utilizzabili
Ciclo frigorifero ad assorbimento
Schema concettuale di
funzionamento di una macchina
frigorifera ad assorbimento, [6].
• la potenza termica Q̇R viene
assorbita al rigeneratore ed il
refrigerante (il soluto)
evapora dalla soluzione
• la potenza termica Q̇A viene
riversata nell’ambiente
all’assorbitore, conseguenza
dell’assorbimento del
refrigerante nella soluzione
• la pressione è maggiore nel
Q̇F + ẆP = Q̇A + Q̇CN
Q̇C = Q̇R
Q̇0 = Q̇A + Q̇CN
Q̇R +rigeneratore che
nell’assorbitore e serve una
pompa per ricircolare la
soluzione dall’assorbitore al
rigeneratore
Le macchine utilizzabili
Ciclo frigorifero ad assorbimento
Schema di una macchina ad assorbimento ad NH3 + H2 O, [7].
Le macchine utilizzabili
Ciclo frigorifero ad assorbimento
Schema di una
macchina ad assorbimento
ad
H2 O + LiBr
a
vapore, [8].
Le macchine utilizzabili
Cicli frigoriferi ad assorbimento. Le prestazioni
Esempi di caratteristiche di macchine commercialmente disponibili
a singolo effetto ad alimentazione indiretta, [1].
Potenza
frigorifera (kW)
35–105
104
100–600
2000–4800
COP medio
0.7
0.74
0.4
0.71
Temperatura acqua
refrigerata (◦ C)
5.5 a 12.5
7 a 12
0 a -50
4 a 15
Soluzione
refrigerante
H2 O + LiBr
H2 O + LiBr
NH3 + H2 O
H2 O + LiBr
Con un COP di 0.7 la potenza termica riversata nell’ambiente per
Q̇0
1
unità di potenza frigorifera utile è pari a 2.42 (= Q̇
= COP
+ 1).
F
Le macchine utilizzabili
La sorgente di calore
I sistemi frigoriferi presentati che utilizzano energia termica per il
loro funzionamento, ovvero quelli basati su
• la refrigerazione termo-meccanica
• le macchine ad assorbimento
impiegano calore da una qualunque fonte (purchè ad una
temperatura compatibile con il loro corretto funzionamento)
• da combustione, per esempio, di gas naturale
• da olio diatermico
• da vapore
• da acqua calda o surriscaldata
• gas caldi
In particolare, il calore può anche provenire dall’irraggiamento
solare.
L’energia solare disponibile
Energia termica solare disponibile al
suolo. I dati si riferiscono alla città di
Brescia e sono relativi ad una superficie piana orizzontale
orientata a sud.
L’ energia disponibile varia molto nell’anno: a gennaio il valore
massimo medio di insolazione è circa 236 Wh/m2 per ora; a luglio
è circa 793 Wh/m2 ora. Mediamente le ore di luce sono 9 a
gennaio; 15 in luglio.
Le peculiarità dell’uso della energia solare
• E’ molto importante che il dispositivo di cattura e di
conversione dell’energia solare abbia un rendimento il più
elevato possibile.
• Fondamentali sono l’orientazione e la inclinazione del
dispositivo di captazione.
• Può essere utile ricorrere alla concentrazione, per ottenere alte
temperature o una sensibile riduzione della superficie captante.
• Può essere indispensabile prevedere un sistema di accumulo.
L’impiego della energia solare nella produzione di potenza
frigorifera (solar cooling ), ad uso civile o industriale, mediante
macchine ad assorbimento permette lo sfruttamento di un
impianto solare termico proprio nel periodo estivo, quando
l’insolazione è massima.
I collettori solari
Le varie tipologie, [9]
I vari tipi di collettori solari disponibili sul mercato: stazionari,
mobili su di un asse, mobili intorno a due assi di rotazione.
Aumentando il rapporto di concentrazione aumenta la temperatura
di funzionamento.
I collettori solari
I collettori piani
Diagrammi schematici di collettori piani non a concentrazione: (a)
piano, (b) con tubi a vuoto, [10].
I collettori solari fissi a concentrazione
I Compound Parabolic Collectors (CPC)
Sezione trasversale del
modello CPC-T con
tre assorbitori (bifacciali). Schema geometrico tipico e traccia
dei raggi solari, [11].
I collettori CPC sono concentratori (rapporto di concentrazione 1–5) che riflettono i raggi incidenti
sulla superficie verso
una zona relativamente ampia mediante riflessioni multiple.
I collettori solari mobili a concentrazione
Esempio: i Parabolic Trough
Schema di un collettore parabolico, [12].
I raggi incidenti sulla superficie sono concentrati lungo la linea
focale. Le temperature raggiungibili sono
tali (sino a 400 ◦ C) da
permettere, con buona efficienza, anche la
generazione di energia
elettrica.
Di solito
sono mobili su di un
asse.
I collettori solari
Esempio, [13]
Gli assorbitori funzionanti ad energia solare termica
Esempio, [14]
Ennio Macchi, Stefano Campanari, Paolo Silva La
microgenerazione a gas naturale, Polipress–Politecnico di
Milano, 2005
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G. Angelino, P. Ferrari, M. Gaia, G. Giglioli, E. Macchi
The CNPM thermal heat pump. Part 1 — general description
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C. Keller The use of the Closed–Cycle Helium Gas Turbine in
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Anonimo York Millennium – Gruppi refrigeratori ad
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