LA GENERAZIONE DEL FREDDO DA ENERGIA TERMICA =1
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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 G. Angelino, C. Invernizzi Thermodynamic optimization of ejector actuated refrigerating cycles, International Journal of Refrigeration, 31 (2008) 453-463 G. Angelino, P. Ferrari, G. Giglioli, E. Macchi Combined thermal engine–heat pump systems for low–temperature heat generation, The Institution of Mechanical Engineers, Thermodynamic and Fluid Mechanics Group, Proceedings 1976, Volume 190 27/76. G. Angelino, P. Ferrari, M. Gaia, G. Giglioli, E. Macchi The CNPM thermal heat pump. Part 1 — general description and thermodynamic analysis, International Journal of Refrigeration, Volume 3, Number 1, January 1980, pp.19-24. C. Keller The use of the Closed–Cycle Helium Gas Turbine in Atomic Power Plants, in Closed Cycle Gas Turbines for all Fuels: Coal, Oil, Gas, Nuclear, Escher Wyss, 8023 Zurich/Switzerland. J.M. Smith, H.C. Van Ness Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, Third Edition, McGraw–Hill Kogakusha, Ltd, Tokyo, 1975. Lucien Borel Thermodynamique et Énergétique, Première édition, Presses Polytechniques Romandes, CH-1015, Lausanne, 1984. Anonimo York Millennium – Gruppi refrigeratori ad assorbimento monostadio mod. YIA, Form 155.16-EG1 (597) ICG Soteris A. Kalogirou Solar thermal collectors and applications, Progress in Energy and Combustion Science, 30 (2004) 231–295. D.S. Kim, C.A. Infante Ferreira Solar refrigeration options – a state-of-the-art review, International Journal of Refrigeration, xxxx. Carlo Rizzo Compound Parabolic Collector e Parabolic Trough Collector nelle applicazioni di refrigerazione solare ad assorbimento, tesi di laurea, relatore ing. Mario Motta, Politecnico di Milano, anno accademico 2006–2007. G. Brakmann, R. Aringhoff, S. Reske Solar Therml Power 2020 – Exploiting the heat from the sun to combact climate change, European Solar Thermal Power Industry (ESTIA) and Greenpeace International, ISBN: 90-73361-82-6. Anonimo Collettore sottovuoto VK25, documentazione tecnica della Sonnenkraft, Vers. 2007/12. Anonimo Systema Solare, documentazione tecnica della Systema S.p.A., S. Giustina in Colle, Padova.
