9. Impianti frigoriferi ad assorbimento

Corso di Impianti Meccanici – Laurea Triennale
Modulo 9
Impianti frigoriferi ad assorbimento
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Dott. Ing. Marco Pellegrini
Dott. Ing. Michele Gambuti
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
Agenda
Introduzione
Soluzioni binarie ed operazioni elementari
Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di
acqua e bromuro di litio
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Introduzione
Qualsiasi impianto frigorifero deve trasferire determinate quantità di calore da locali, derrate,
fluidi, a temperatura più bassa, all’aria o all’acqua dell’ambiente esterno a temperatura più
elevata. Questi trasferimenti di calore richiedono che venga compiuto del lavoro. Negli impianti
muniti di compressore si fornisce energia nella forma meccanica (ottenuta in genere tramite
motori che richiedono energia elettrica). Negli impianti frigoriferi ad assorbimento si fornisce
energia essenzialmente nella forma termica.
Se l’energia termica è di alta qualità (ovvero ad elevata entalpia, ad esempio resa disponibile
dalla combustione diretta di combustibile pregiato) gli impianti frigoriferi ad assorbimento non
risultano energeticamente convenienti nei confronti di quelli a compressione. L’impianto ad
assorbimento risulta invece interessante se viene alimentato con calore che altrimenti andrebbe
perduto.
L’impiego di una macchina operatrice, e quindi di energia elettrica, per riportare il fluido alla
pressione di condensazione è comunque necessaria ma, assorbendo il fluido frigorifero in una
soluzione liquida, si affida questo compito ad una pompa e non ad un compressore, con
notevoli vantaggi dal punto di vista energetico, del costo, degli ingombri e della manutenzione.
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Introduzione
Esistono due tipologie di miscele liquide:
• alcune sono costituite da componenti che rimangono separati tra loro, come avviene ad
esempio per acqua e olio;
• altre sono costituite da componenti in grado di miscelarsi intimamente, come avviene per
acqua e ammoniaca. Esiste comunque un limite alla solubilità di un componente nell’altro,
che dipende dalla pressione e dalla temperatura della miscela. In particolare, al crescere
della temperatura, la soluzione si impoverisce del componente più bassobollente.
(Esistono anche sostanze che, se aggiunte a soluzioni immiscibili, le rendono miscibili: si pensi
alla funzione della bile, nel corpo umano, rispetto ad una soluzione di acqua e olio).
Gli impianti ad assorbimento che presentano le applicazioni di maggior interesse impiegano
prevalentemente la soluzione acqua e ammoniaca (H20–NH3) o la soluzione acqua e bromuro di
litio (H20–LiBr).
Nel primo caso il fluido frigorifero è l’ammoniaca e pertanto può coprire l’intero campo di
applicazione dei normali impianti a compressione.
Nel secondo caso il fluido frigorifero è l’acqua e di conseguenza le applicazioni sono limitate al
campo della semplice refrigerazione, con temperature nettamente al di sopra di 0°C.
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Introduzione
L’impianto frigorifero ad assorbimento è costituito fondamentalmente da due parti.
Nella prima di queste, presente anche negli impianti a compressione, il fluido frigorifero passa
dall’ambiente ad alta pressione (condensatore C ed eventuale ricevitore di liquido RL) a quello
di bassa pressione (separatore S e circuiti di evaporazione) attraverso la laminazione L.
Nella seconda, che si sostituisce al compressore degli impianti a compressione, il vapore
frigorifero ottenuto dal separatore viene assorbito in una soluzione liquida, dopo di che può
essere riportato alla pressione più elevata con una pompa P. Viene infine separato dalla
soluzione liquida per essere avviato al condensatore.
L’assorbimento avviene nell’assorbitore A ed è favorito
dalla sottrazione di calore. Minore è la temperatura che si
riesce a raggiungere e minore è la quantità di soluzione
necessaria per assorbire 1 kg di vapore frigorifero.
La separazione della soluzione liquida avviene nel
generatore G introducendo calore. I vapori che si liberano
non sono composti esclusivamente da vapori di fluido
frigorifero: tra il generatore e il condensatore risulta
necessario introdurre una colonna di rettifica per garantire
una certa purezza del fluido frigorifero.
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Agenda
Introduzione
Soluzioni binarie ed operazioni elementari
Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di
acqua e bromuro di litio
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Soluzioni binarie ed operazioni elementari
Due sono i diagrammi fondamentali impiegati nello studio delle soluzioni binarie: il diagramma
temperatura-concentrazione (T-c) e il diagramma entalpia-concentrazione (H-c).
Sul diagramma T-c, per un determinato valore di pressione p, si hanno
4 curve fondamentali che individuano le fasi del solido, del liquido e
del vapore e che si appoggiano ai valori delle temperature di
vaporizzazione Tv e di solidificazione Ts dei 2 componenti A e B della
soluzione. Le 4 curve fondamentali sono la curva di condensazione, di
vaporizzazione, di solidificazione e di fusione.
Ad una generica concentrazione c della soluzione, a temperatura più
bassa di Tf troviamo la fase solida, tra Ts e Tv troviamo la fase liquida,
oltre Tc troviamo la fase vapore. Tra Ts e Tf si ha la miscela eterogenea
di liquido e solido, tra Tc e Tv la miscela eterogenea di liquido e
vapore.
È da notare che, contrariamente a quanto avviene per i componenti
puri, per la soluzione a una generica concentrazione c, la temperatura
varia durante le fasi di vaporizzazione e di solidificazione.
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Soluzioni binarie ed operazioni elementari
Si consideri una soluzione liquida sottoraffreddata rappresentata
dal punto (1). Introducendo calore si raggiunge il punto (2) di
liquido saturo, pronto per vaporizzare. Alla fine della
vaporizzazione si ha un vapore saturo secco (3) dal quale,
introducendo ancora calore, si passa a vapore surriscaldato (4).
Il ‘‘punto’’ (M) rappresenta una miscela eterogenea la cui fase
liquida si trova allo stato fisico rappresentato dal punto (L), e la
cui fase vapore si trova allo stato fisico dato dal punto (V).
La concentrazione del componente B nella miscela eterogenea
(M) è:
cM = 𝑥 cV + 1 − 𝑥 cL
Il titolo x del vapore presente nella miscela eterogenea (M) è
quindi dato da:
cM − cL LM
𝑥=
=
cV − cL
LV
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Soluzioni binarie ed operazioni elementari
È da notare che durante l’evaporazione o la condensazione
di una soluzione binaria, la fase liquida è più ricca del
componente che presenta la Tv maggiore (componente più
altobollente).
Questo giustifica i fenomeni di corrosione che a volte si
manifestano in conseguenza alla condensazione di vapori
(es: fumi) pur con un modesto contenuto di sostane
aggressive (es: composti dello zolfo).
Infatti all’inizio della condensazione (3→M) la miscela (M) è
costituita da vapore (V) con concentrazione nei confronti di
B lievemente maggiore; Il liquido (L) presenta invece
concentrazioni notevoli nei confronti di A.
A lievi tracce del componente A nei vapori possono quindi corrispondere contenuti elevati nella
condensa e, se il componente A presenta proprietà aggressive, si assiste ai fenomeni di
condensa acida.
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Soluzioni binarie ed operazioni elementari
Passando al diagramma entalpia-concentrazione (H-c), prima ancora di segnare le curve
fondamentali, va ricordato che, se si mescolano due quantità in massa G1 e G2 di soluzione in
condizioni diverse, rappresentate dai punti (1) e (2), si ottiene una soluzione dalle caratteristiche
rappresentate dal punto (3):
H1 G1 + H2 G2
H3 =
G1 + G2
,
c1 G1 + c2 G2
c3 =
G1 + G2
Il punto (3) si trova sul segmento 12 e lo divide nelle parti:
G2
13 =
∙ 12
G1 + G2
,
G1
32 =
∙ 12
G1 + G2
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Soluzioni binarie ed operazioni elementari
Anche sul diagramma H-c per un determinato valore della pressione p, si hanno 4 curve
fondamentali che dividono le fasi del solido, del liquido e del vapore dalle miscele eterogenee
liquido-solido e liquido-vapore che si appoggiano ai valori di entalpie del vapore saturo HV, del
liquido saturo HL, di inizio e fine solidificazione, dei due componenti A e B. Tra queste
interessano fondamentalmente le curve del vapore e del liquido.
Il punto (1) rappresenta lo stato fisico di una soluzione liquida
sottoraffreddata; introducendo calore si può passare a (2) che
rappresenta una soluzione liquida satura. Il punto (3) è vapore
saturo secco e (4) è vapore surriscaldato. (M) rappresenta le
caratteristiche di una miscela eterogenea liquido (L) e vapore
(V). Per quanto visto sul diagramma T-c, i punti (V) e (L)
devono trovarsi sulla stessa isoterma passante per (M).
L’andamento di una isoterma sul diagramma H-c è
rappresentato nella figura a lato.
Di seguito analizzeremo alcune
riportate sul diagramma H-c.
operazioni
elementari
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Soluzioni binarie ed operazioni elementari
a) Evaporazione parziale di una soluzione
Partendo dallo stato fisico (1) di liquido sottoraffreddato, si raggiunge lo stato
(2) di liquido saturo introducendo la quantità specifica di calore q12 = H2 – H1.
Introducendo successivamente la quantità q2M = HM – H2 si ottiene la miscela
eterogenea rappresentata da (M), che può essere separata nelle sue fasi di
liquido e vapore. I punti (L) e (V) rappresentativi di dette fasi si trovano alla
stessa temperatura e allineati con il punto (M).
Il rapporto tra le quantità di vapore e di liquido è
LM
MV
c −c
= cM−c L .
V
M
Da notare che in questo modo si può ottenere vapore più concentrato
(rispetto al componente B) della soluzione originale.
b) Condensazione parziale di un vapore
Partendo da vapore surriscaldato (1) si ottiene vapore saturo (2) sottraendo
la quantità specifica di calore q12 = H1 – H2. Sottraendo successivamente il
calore q2M = H2 – HM si ottiene una miscela eterogenea (M) che può essere
separata nelle fasi di liquido (L) e di vapore (V). Anche in questo caso il
vapore ottenuto è più concentrato nel componente B.
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Soluzioni binarie ed operazioni elementari
c) Assorbimento
Si consideri 1 kg di vapore nello stato (V) assorbito in g kg di una
soluzione liquida (L). Le caratteristiche della miscela sono date dal
punto (M) allineato con (L) e con (V) e tale che:
1 LM cM − cL HM − HL
=
=
=
g MV cV − cM HV − HM
Da queste proporzioni si ottengono HM e cM.
La miscela eterogenea ottenuta (M) è costituita da una fase liquida (L’ ) e da una fase vapore
(V’) alla stessa temperatura t.
La miscela (M) non è idonea ad essere pompata; bisogna quindi togliere calore per portare la
soluzione almeno allo stato di liquido saturo (1), dopo di che si potrà trasferire la soluzione
liquida, ad esempio con una pompa sottobattente.
La quantità specifica di calore da sottrarre alla miscela eterogenea è qM1 = HM – H1.
La quantità specifica riferita al vapore assorbito è quindi q = (HM – H1)(1+g).
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Soluzioni binarie ed operazioni elementari
d) Concentrazione
Fig. d1
Fig. d1)
Combinando le operazioni considerate in a) e in b), partendo da una
soluzione liquida satura (1) e introducendo calore, è possibile ottenere
vapore con una concentrazione maggiore (V). Raffreddando il vapore
formato è possibile passare dal vapore (V) alla miscela (M’ ), costituita da
un vapore (V’ ) a concentrazione ancora più elevata. Questa operazione
può essere ripetuta per (V’ ) ottenendo (V’’ ).
Ovviamente partendo da una certa quantità di liquido in (1), si otterrà alla
fine una quantità ben modesta di vapore (V’’ ).
Fig. d2
Fig. d2)
Supponendo di mescolare vapore (V) con liquido (L) a concentrazione più
elevata. La miscela (M) tende a separare vapore (V’ ) con concentrazione
maggiore.
Il liquido ideale che si vorrebbe utilizzare per concentrare il vapore (V) è
pertanto (L0) che, nella pratica, proviene a volte dalla condensazione di
vapore estremamente concentrato (V0).
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Soluzioni binarie ed operazioni elementari
Nelle colonne di rettifica si attua un processo continuo in cui il vapore da
concentrare sale, incontrando liquido fornito dalla condensazione di una
parte del vapore ottenuto alla sommità della colonna.
Con l’ipotesi che i fluidi siano saturi, (1), (2) e (3) sono rispettivamente i
punti rappresentativi del vapore all’entrata, del vapore all’uscita e del
liquido all’uscita della torre.
Ipotizzando di rimescolare il vapore uscente (2) con il liquido uscente
(3), il punto rappresentativo della miscela (M) deve trovarsi sul
segmento 23 e deve trovarsi alla concentrazione iniziale (1), perché
tanto componente B è entrato con (1) e tanto ne deve uscire
complessivamente con (2) e (3) in regime stazionario. Da notare che
tale operazione, se effettuata realmente, sarebbe deleteria in quanto
comporterebbe una diminuzione della concentrazione del vapore.
La quantità di liquido (3) riferita ad 1 kg di vapore (2) vale:
M2/32
M2
c −c
p = 3M/32 = 3M = c2 −cM .
M
3
c −c
La quantità di vapore (1) da inviare alla torre vale: 1 + p = c 2 −c3 .
M
3
La quantità di calore da sottrarre è data da: q = (H1 – HM)(1 + p) .
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Agenda
Introduzione
Soluzioni binarie ed operazioni elementari
Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di
acqua e bromuro di litio
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Diagramma p-H dell’ammoniaca (R717)
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Schema semplificato dell’impianto ad assorbimento ad ammoniaca
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Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Schema di processo
Diagrammi H-c e p-H
Si considera una portata unitaria di vapore che si libera dal separatore S e ad esso vengono
riferite le altre portate di fluido (indicate tra parentesi quadre) e le quantità energetiche
scambiate qi.
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Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Dati di progetto
1) La temperatura che si vuole raggiungere in cella
frigorifera, determina la temperatura di evaporazione tv del
fluido frigorifero.
Poiché il fluido frigorifero è già stato individuato (è
ammoniaca) è nota anche la pressione di evaporazione pv.
Ad esempio, per una cella a 0°C, si possono considerare
tv≃–10°C e pv≃3 bar.
2) La fonte di raffreddamento disponibile al condensatore
determina la temperatura di condensazione tc del fluido
frigorifero e, poiché l’impianto utilizza ammoniaca, risulta
nota la pressione di condensazione pc.
Ad esempio, nel caso sfortunato in cui per il
raffreddamento sia disponibile dell’aria a 40°C,
l’ammoniaca dovrà condensare ad una temperatura
tc≃50°C e ciò avviene ad una pressione pc≃20 bar.
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Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Dati di progetto
3) La fonte di calore utilizzata nel generatore determina la temperatura massima realizzabile nel
generatore tmax. Più alta è tale temperatura e più elevata sarà la quantità di vapore di NH3 che
si riesce a liberare e ad utilizzare come fluido frigorifero.
Solitamente si impiegano cascami termici a contenuto entalpico relativamente modesto,
arrivando a temperature nel generatore difficilmente sopra i 100÷150°C.
4) La fonte di raffreddamento disponibile all’assorbitore determina la temperatura minima
realizzabile nell’assorbitore tmin. Più bassa è tale temperatura, più favorito sarà l’assorbimento
dell’NH3 nella soluzione acquosa da pompare fino alla pressione di condensazione.
Per analizzare l’impianto si utilizzeranno 2 diagrammi H-c sovrapposti, uno alla pressione di
evaporazione pv e uno alla pressione di condensazione pc. Occorre pertanto fare attenzione ad
isolare le curve ed i punti che interessano.
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Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Concentrazione ricca e concentrazione povera
Dai dati iniziali di progetto risultano note pc, pv, tmax e tmin. Risultano pertanto note la minore e la
maggiore concentrazione in ammoniaca raggiungibili dall’impianto, chiamate rispettivamente
concentrazione povera cp e concentrazione ricca cr.
È da notare che se tmax aumenta, l’isoterma corrispondente si sposta verso sinistra e cp si
abbassa (evapora più NH3 nel generatore).
Se tmin cala, l’isoterma corrispondente si sposta verso destra e cr cresce (si riesce ad assorbire
più ammoniaca nell’assorbitore).
Risultano inoltre identificati lo stato (6) di liquido nel generatore e all’uscita della torre di rettifica
alla pressione pc e alla concentrazione povera cp (ipotizzato saturo), e lo stato (3) di liquido
uscente dall’assorbitore alla pressione pv e alla concentrazione ricca cr (ipotizzato saturo).
tmax
pc
→ cp
pc
→ (6)
cp
Liq. saturo
tmin
pv
→ cr
pv
→ (3)
cr
Liq. saturo
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Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Assorbitore
(pressione = pv)
Entra:
•
1 kg di vapore saturo di NH3 → (1)
•
g kg di soluzione povera in NH3; lo scambio termico e la
laminazione devono essere tali da permettere di ottenere del
liquido sottoraffreddato o saturo → 2
Esce:
• 1+g kg di soluzione ricca in NH3 → 3
Si indica con (M) l’intersezione tra il segmento 12 e la retta a
concentrazione ricca cr. (M) rappresenta le caratteristiche medie
dei fluidi entranti (1) e (2) se venissero mescolati.
Il calore da sottrarre alla quantità unitaria di soluzione uscente (3)
vale HM – H3, per cui, riferendosi alla quantità di vapore entrante
(1), si ha:
qa = HM − H3 1 + g
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Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Si ricava g dalle seguenti proporzioni:
g 1M 1 − cr
=
=
1 2M cr − cp
1 − cp
→ 1+g=
cr − cp
La pompa elabora (1 + g) kg di soluzione per ogni kg di fluido frigorifero.
Più la differenza (cr – cp) risulta piccola, ovvero più le due temperature tmax e tmin sono vicine,
maggiore è la portata che la pompa deve elaborare è, di conseguenza, più impegnativa e
costosa risulta la pompa impiegata. Se (cr – cp) → 0, la portata elaborata tenderebbe ad infinito.
È bene ricordare che, in presenza di cascami termici disponibili (necessari al generatore),
l’impianto frigorifero ad assorbimento è stato preso in considerazione rispetto al tradizionale
impianto a compressione proprio perché l’innalzamento della pressione del fluido frigorifero
viene affidato ad una pompa e non ad un compressore (più energivoro). Se il costo della pompa
diventasse elevato, l’impianto ad assorbimento non sarebbe più giustificabile.
24/60
Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Si indica con (T) l’intersezione del segmento passante per i punti (2) e (3) con l’ordinata c=1
(NH3).
Per similitudine tra i triangoli 2M3 e 21T, si ricava la potenza termica asportata nell’assorbitore
per kg di fluido frigorifero:
1 − cp
qa = HM − H3 1 + g = HM − H3
= H1 − HT
cr − cp
25/60
Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Colonna di rettifica
(pressione = pc)
Si ipotizza che il vapore saturo (7) entri alla stessa temperatura del liquido saturo uscente (6).
Sul diagramma H-c il punto (7) viene identificato intersecando la curva di saturazione (a
pressione pc) con l’isoterma tmax. Si identifica inoltre la concentrazione cn del vapore (7).
26/60
Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Entra:
•
1+p kg di vapore saturo nello stato (7).
Esce:
•
•
1 kg di vapore saturo di NH3 → (8);
p kg di soluzione povera nello stato (6);
(N) rappresenta le caratteristiche medie dei fluidi uscenti se
venissero mescolati.
Il calore da sottrarre alla ipotetica quantità unitaria di
miscela uscente (N) vale H7 – HN, per cui riferendosi alla
quantità unitaria di vapore (8) uscente dalla torre di
rettifica, si ha:
qs = H7 − HN 1 + p
Si ricava p dalle seguenti proporzioni:
p 8N 1 − cn
=
=
1 6N cn − cp
→
1+p=
1 − cp
cn − cp
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Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Si indica con (Z) l’intersezione del segmento passante per i punti (6) e (7) con l’ordinata c=1
(NH3). Per similitudine tra i triangoli 67N e 6Z8, si ha:
1 − cp
qs = H7 − HN 1 + p = H7 − HN
= HZ − H8
cn − cp
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Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Scambiatore di recupero
g 1M
1 − cr
=
=
1 2M cr − cp
→ 1+g=
1 − cp
cr − cp
Si può determinare H4 per similitudine tra triangoli 6Z8 e 6OP:
qs = H4 − H3 1 + g
qs
H4 − H3 =
= HZ − H8
1+g
cr − cp
= HO − HP
1 − cp
H4 = H3 + HO − HP
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Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Il punto (5) all’uscita dello scambiatore di recupero si trova a concentrazione ricca cr e sul
segmento 6V, essendo (V) determinato dall’incontro del segmento 24 con l’asse dell’NH3.
Il liquido all’uscita dallo scambiatore è leggermente sottoraffreddato per evitare che del vapore
venga inviato all’assorbitore, dove sarebbe modesta la sua partecipazione all’assorbimento del
fluido frigorifero.
1 + g H5 − H4 = g H6 − H2
H5 − H4 = H6 − H2
g
1 − cr
= H6 − H2
1+g
1 − cp
30/60
Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Si indica (U) l’intersezione di 64 con l’asse dell’NH3.
Considerato i triangoli simili 642 e U4V, il calore scambiato nello scambiatore di recupero vale:
qR = H6 − H2 g = H6 − H2
1 − cr
= HV − HU
cr − cp
31/60
Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Generatore + colonna di rettifica (pressione = pc)
Entra:
•
1+g kg di soluzione ricca nello stato (5).
Esce:
•
•
1 kg di vapore saturo di NH3 nello stato (8);
g kg di soluzione povera nello stato (6).
(P) rappresenta le caratteristiche medie dei
fluidi uscenti dal sistema generatore + colonna
di rettifica se venissero mescolati.
Al complesso generatore + torre di rettifica viene ceduto il calore qg – qs.
Considerando i triangoli simili 68V e 6P5, si ha:
qg − qs = HP − H5 1 + g = HP − H5
Ricordando che qs = H7 − HN 1 + p = H7 − HN
1−cp
cn −cp
1 − cp
= H8 − HV
cr − cp
= HZ − H8
qg = H8 − HV + qs = H8 − HV + HZ − H8 = HZ − HV
32/60
Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Bilancio finale
Il calore estratto dal condensatore vale:
qc = H8 − H9
Il calore fornito dagli evaporatori vale:
qv = H1 − H10
Trascurando l’apporto energetico fornito dalla pompa, si ha:
•
potenza entrante = qv + qg ;
•
potenza uscente = qa + qc;
𝐪𝐯 + 𝐪𝐠 = 𝐪𝐚 + 𝐪𝐜
33/60
Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Valutazioni numeriche:
Tv = – 10°C  pv = 3 bar
Tc = 50°C  pc = 20 bar
34/60
Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Concentrazione ricca:
pv = 3 bar
a) Tmin = 20°C  cr = 0,52
b) Tmin = 30°C  cr = 0,44
c) Tmin = 40°C  cr = 0,38
160°C
140°C
20 bar
Concentrazione povera:
pc = 20 bar
40°C
30°C
20°C
3 bar
a) Tmax = 160°C  cp = 0,19
b) Tmax = 140°C  cp = 0,27
35/60
Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Considerando il caso più sfortunato
(Tmax=140°C e Tmin=40°C), la differenza
tra concentrazione ricca e povera vale:
cr − cp = 0,38 − 0,27 = 0,11
La portata che la pompa deve elaborare
per ogni kg di fluido frigorifero vale:
1−cp
1+g=c
r −cp
1−0,27
= 0,38−0,27 = 6,6
kgsoluzione
kgf. frigo
Dal diagramma p-H si legge il calore di vaporizzazione per ammoniaca a -10°C:
r ≃ 1450 − 150 = 1300 [kJ/kg]
Ipotizzando un impianto da 13 MW di potenza frigorifera, la portata di fluido frigorifero che deve
circolare negli evaporatori è pari a:
Q f 13000
G=
=
= 10 [kg/s]
r
1300
La pompa deve pertanto elaborare:
1 + g ∙ G = 6,6 ∙ 10 = 66 [kg/s] ≃ 238[m3 /h]
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Agenda
Introduzione
Soluzioni binarie ed operazioni elementari
Impianto frigorifero ad assorbimento ad ammoniaca
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di
acqua e bromuro di litio
37/60
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Consideriamo sul diagramma T-c una soluzione binaria con una
curva del vapore che corre molto vicino all’asse A. Partendo da
una soluzione liquida (1) con concentrazione rispetto a B anche
abbastanza elevata, introducendo calore e separando le fasi si può
ottenere vapore (V) piuttosto concentrato nei confronti di A.
Nel caso della soluzione H20-LiBr, il soluto B è un sale (LiBr) con
tensione di vapore del tutto trascurabile fino a 140°C. Nel campo di
applicazione della refrigerazione, la curva del vapore coincide
praticamente con l’asse delle ordinate A e si può ottenere un vapore
di acqua praticamente puro e surriscaldato da una soluzione liquida
con una certa concentrazione di LiBr. Si realizzano pertanto
impianti frigoriferi ad assorbimento nei quali il fluido frigorifero è
l’acqua e il vapore ottenuto dal generatore passa direttamente al
condensatore senza bisogno della colonna di rettifica.
È da tenere presente che:
• negli impianti frigoriferi ad assorbimento ad ammoniaca i termini concentrazione povera e
concentrazione ricca sono riferiti al tenore di fluido frigorifero (NH3) in soluzione;
• negli impianti a bromuro di litio, ci si riferisce al LiBr e non al fluido frigorifero (acqua).
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Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Lo schema di processo riportato in figura fa riferimento ad
una realizzazione particolarmente compatta di un impianto
a bromuro di litio per refrigerazione d’acqua.
Nel generatore di vapore G e nel condensatore C la
pressione assoluta pc è dell’ordine di un decimo di
atmosfera. Nel vaporizzatore V e nell’assorbitore A la
pressione assoluta pv e dell’ordine del centesimo di
atmosfera. Riunendo i componenti alla stessa pressione in
un unico contenitore risulta vantaggiosa dal punto di vista
della tenuta, dei collegamenti e della compattezza.
Nel generatore la soluzione povera (di LiBr) viene
riscaldata a circa T1=70÷90°C (grazie ad acqua a 80÷95°C)
e si concentra liberando vapore d’acqua praticamente puro.
Questo vapore passa poi nel condensatore (a circa TC=45°C) cedendo calore all’acqua di
raffreddamento che lascia lo scambiatore ad una temperatura di Tu=40°C. L’acqua di
raffreddamento può venire, a sua volta, raffreddata in circuito chiuso, tramite una torre di
raffreddamento.
39/60
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
La condensa viene laminata e scende al vaporizzatore. La vaporizzazione
avviene alla temperatura TV=4÷5°C, mentre il fluido da raffreddare (di solito
acqua) viene portata dalla temperatura Ta=12÷13°C a quella Tb=7÷8°C.
Poiché sono necessari piccoli ΔT tra acqua frigorifera e acqua da
refrigerare, è necessario favorire lo scambio termico utilizzando
atomizzatori e facendo ricircolare la condensa del fluido frigorifero con una
pompa Pv.
Il vapore che si produce al vaporizzatore passa all’assorbitore dove giunge
anche la soluzione ricca (in LiBr) proveniente dal generatore. Il vapore
d’acqua viene assorbito dalla soluzione, con sottrazione di calore, e la
diluisce.
Per rendere possibile l’assorbimento occorre sottrarre calore all’assorbitore
con acqua di raffreddamento; questa entra alla temperatura Te=30°C, esce
a Ti=35÷36°C e viene poi mandata generalmente a raffreddare il
condensatore. Per migliorare le condizioni alle quali avviene
l’assorbimento, una pompa Pa mette la soluzione che sta assorbendo il
vapore in ricircolo.
La soluzione povera, con temperatura di T5=35÷40°C e concentrazione
cp=0,55÷0,60 abbandona l’assorbitore per essere mandata con una pompa
P al generatore dopo aver attraversato lo scambiatore di recupero S.
La soluzione ricca (cr=0,63÷0,67) che scende dal generatore, cede calore
alla soluzione povera nello scambiatore di recupero, subisce una riduzione
di pressione e arriva all’assorbitore.
40/60
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Per le nostre valutazioni si farà riferimento a:
• diagramma H-c della soluzione H20-LiBr, con curva del vapore coincidente con l’ordinata c=0;
• diagramma H-s dell’acqua; da questo è possibile ricavare il valore dell’entalpia del vapore
surriscaldato di acqua in equilibrio con una data soluzione satura, in funzione della pressione
e della temperatura della soluzione stessa.
Ipotesi semplificative:
• si trascurano le cadute di pressione al passaggio dal generatore al condensatore e dal
vaporizzatore all’assorbitore;
• si assume che la soluzione povera all’uscita dall’assorbitore, la soluzione ricca all’uscita del
generatore e la condensa allo scarico del condensatore, siano sature;
• si assume che il vapore d’acqua all’uscita del vaporizzatore sia saturo secco;
• si trascurano le variazioni di temperatura e di entalpia della soluzione povera attraverso la
pompa.
41/60
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Schema di processo
Diagrammi H-s e H-c
42/60
Formazione di condensa
Diagramma H-s (di Mollier) per l’acqua
T [°C]
psat [kPa]
T [°C]
psat [kPa]
T [°C]
psat [kPa]
0,01
5
10
15
20
25
30
0,6113
0,8721
1,2276
1.7051
2,339
3,169
4,246
35
40
45
50
55
60
65
5,628
7,384
9,593
12,349
15,758
19,940
25,03
70
75
80
85
90
95
100
31,19
38,58
47,39
57,83
70,14
84,55
101,3
43/60
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Dati di progetto
1) Per ottener acqua refrigerata a 7÷8°C, occorre del vapore a 4÷5°C. Essendo il fluido
frigorifero acqua, è nota anche la pressione di evaporazione pv≃8mbar.
2) La massima temperatura raggiungibile nel generatore, T1, nota la pc, determina la
concentrazione ricca cr.
3) Con acqua a 35°C disponibile al condensatore, si riesce a condensare il vapore d’acqua a
circa 45°C. La pressione di condensazione del vapore è pc≃100mbar.
4) La minima temperatura realizzabile nell’assorbitore, T5, nota la pv, determina la
concentrazione povera cp.
tmax
pc
→ cr
tmin
pv
→ cp
44/60
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Nel generatore, grazie all’apporto di calore dall’esterno, viene
superata la temperatura di saturazione corrispondente ai valori
della pressione pc e della concentrazione cp e si ottiene del vapore
surriscaldato alla T1.
Infatti la soluzione salata bolle ad una temperatura superiore
rispetto al componente puro acqua; Il vapore d’acqua che si libera
si trova quindi alla temperatura di saturazione della soluzione
salata, maggiore rispetto alla temperatura di saturazione del solo
componente acqua. Il vapore che si libera è pertanto surriscaldato.
I valori pc e T1 individuano lo stato (1) del vapore (sul diagramma H-s) e lo stato (8) della
soluzione ricca satura corrispondente (sul diagramma H-c).
1→2) desurriscaldamento e condensazione
del vapor d’acqua all’interno del
condensatore;
2→3) laminazione del vapore dalla pressione
pc alla pressione pv (H3=H2);
3→4) vaporizzazione del vapor d’acqua.
45/60
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Lo stato della miscela povera (concentrazione cp)
all’uscita dell’assorbitore è individuato dai valori di
pressione pv e della temperatura T5 e, per le ipotesi
fatte, il liquido è saturo.
La soluzione povera viene portata dalla pompa alla
pressione pc per essere inviata al generatore.
Per ipotesi si trascura l’apporto energetico fornito dalla
pompa e pertanto H5 = H6 .
46/60
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Prima di raggiungere il generatore, lo scambiatore di
recupero scalda la soluzione povera (6) fino a
raggiungere lo stato (7), solitamente di liquido
sottoraffreddato. Lo stato (7) verrà in seguito
determinato.
La soluzione ricca (8), che scende dal generatore con
temperatura T1, viene raffreddata nello scambiatore di
recupero fino a raggiungere la temperatura T9, superiore
di un certo ΔTs alla temperatura T5 di entrate della
soluzione povera.
47/60
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
La soluzione ricca (9) subisce quindi una riduzione di pressione che la porta dalla pressione pc
alla pressione pv.
La soluzione ricca (10) può risultare sottoraffreddata o satura a seconda che la T9 sia inferiore o
uguale alla temperatura di saturazione corrispondente ai valori assegnati di pv e cp. Sul
diagramma si è supposto che la soluzione sia satura.
48/60
Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Consideriamo la portata unitaria di vapore (1) che lascia il generatore e arriva al vaporizzatore e
a questa riferiamo la portata g di soluzione ricca (8) che dal generatore si porta all’assorbitore.
A regime la portata di soluto che entra in uno dei due apparati deve essere uguale a quella che
ne esce.
oppure
c1 G1 + c8 G8 = c7 G7
0 ∙ 1 + cr g = cp 1 + g
c4 G4 + c10 G10 = c5 G5
→
𝐜𝐩
𝐠=
𝐜𝐫 − 𝐜𝐩
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Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Allo stesso risultato si perviene utilizzando il diagramma H-c.
Ipotizzando di rimescolare il vapore
(1) e la soluzione ricca (8) uscenti
dal generatore, si ricaverebbe una
miscela (A) a concentrazione cp.
1 A 8 cr − cp
=
=
g A1
cp
Mescolando il vapore (4) e la
soluzione ricca (10) entranti
nell’assorbitore, si ricaverebbe una
miscela (B) a concentrazione cp.
1 B 10 cr − cp
=
=
g
cp
B4
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Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Valutiamo ora le quantità di calore che interessano i vari scambiatori, riferite alla portata unitaria
di vapore frigorifero.
1) Condensatore:
qc = H1 − H2 ;
2) Evaporatore:
qv = H4 − H3 ;
3) Assorbitore:
qa = HB − H5 1 + g = HB − H5
cr
cr −cp
= H4 − HR ;
avendo indicato (R) l’intersezione di 59 con l’asse delle ordinate e avendo considerato i triangoli
simili 59B e R94
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Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
4) Scambiatore di recupero:
H7 − H6 1 + g = H8 − H9 g
Da cui:
H7 − H6 = H8 − H9
cp
g
= H8 − H9
1+g
cr
Il che significa che (7) è allineato con (8) e
con (R).
Indicando con (T) l’intersezione di 79 con l’asse delle
ordinate e considerando i triangoli simili 978 e R7T, si
trova:
cp
qs = H8 − H9 g = H8 − H9
= HT − HR
cr − cp
7
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Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
5) Generatore:
qg = HA − H7 1 + g = HA − H7
cr
= H1 − HR
cr − cp
Avendo considerato i triangoli simili 78A e R81
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Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Avendo trascurato l’apporto energetico della pompa, il
bilancio finale di energia vale:
𝐪𝐠 + 𝐪𝐯 = 𝐪𝐚 + 𝐪𝐜
Il coefficiente di effetto utile o E.E.R. (Energy Efficiency
Ratio) dell’impianto vale:
𝐪𝐯
ε=
𝐪𝐠
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Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Acqua
Diagramma H-c
90°C
Condensatore + generatore:
•
•
•
•
Tc = 37°C  pc = 67 mbar
con Tmax generatore = 90°C  cr = 0,63
Tc = 45°C  pc = 96 mbar (≃75 mm Hg)
con Tmax generatore = 90°C  cr = 0,59
Tc = 37°C  pc = 67 mbar
con Tmax generatore = 80°C cr = 0,58
Tc = 45°C  pc = 96 mbar
con Tmax generatore = 80°C cr = 0,54
Evaporatore + assorbitore:
•
•
Tv = 4°C  pv = 8 mbar
Tmin assorbitore = 30°C cp = 0,53
Tv = 4°C  pv = 8 mbar
con Tmin assorbitore = 40°C cp = 0,58
È bene evidenziare la presenza
della curva di solidificazione:
il deposito di cristalli di bromuro di
litio è assolutamente da evitare.
T [°C]
psat [kPa]
0,01
0,6113
5
0,8721
10
1,2276
15
1,7051
20
2,339
25
3,169
30
4,246
35
5,628
40
7,384
45
9,593
50
12,349
55
15,758
60
19,940
65
25,03
70
31,19
75
38,58
80
47,39
85
57,83
90
70,14
95
84,55
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Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
Modello commerciale
22.000€
(fornitura)
[dato aggiornato al 2013]
E.E.R. = 17,6/25,1 = 0,70
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Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
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Impianto frigorifero ad assorbimento in soluzione di H20 - LiBr
58/60
No
Componente
Descrizione
1
Generatore
Porta all’ebollizione la soluzione diluita di BrLi
producendo vapore refrigerante
2
Condensatore
Condensa il vapore refrigerante producendo liquido
refrigerante
3
Recipiente di raccolta
del liquido refrigerante
(RST)
Accumula il liquido refrigerante per garantire la migliore
concentrazione della soluzione di BrLi
Valvola di scarico
liquido refrigerante
(RBV)
Scarica il refrigerante accumulato nel recipiente di raccolta:
a) alla disattivazione della macchina; b) allorché la
temperatura rilevata da LT è a 3 °C o inferiore; c) allorché
la temperatura dell’acqua di raffreddamento in ingresso è a
20 °C o inferiore
CB
19
CTI
22
INLET COND
OUTLET COND
2
EXTRACTION
4
5
6
Evaporatore (EVA)
Il calore di evaporazione del refrigerante è estratto
dall’acqua da refrigerare che fluisce nella serpentina
dell’EVA
Assorbitore (ABS)
Il vapore refrigerante sviluppatosi nel EVA è assorbito
dalla soluzione concentrata di BrLi. Il calore prodotto nel
processo di assorbimento è trasferito dall’acqua di
raffreddamento che circola all’interno della serpentina
dell’ABS
14
13
HWT
24
INLET GENER
R
12
WTO
8
INLET FREDDO
Valvola di by-pass della
soluzione (SV9)
Qualora le temperature dell’EVA o dell’acqua di
raffreddamento scendano sotto determinati valori la valvola
SV9 si apre per ridurre la portata do soluzione all’ABS
21
OUTLET FREDDO
5
11
FFSL
R
LT
7
OUTLET GENER
1
23
20
3
25
TIT
15
26
4
OUTLET ASSORB
INLET ASSORB
6
8
Valvola solenoide di
protezione antigelo
(SV1)
Qualora le temperature dell’EVA o dell’acqua di
raffreddamento scendano sotto determinati valori, la
valvola SV9 si apre per ridurre la portata di soluzione
all’ABS
9
Scambiatore (HE)
Permette lo scambio termico dalla soluzione
concentrata calda alla soluzione diluita fredda
10
Pompa di soluzione
diluita (SO)
Spinge la soluzione diluita dall’assorbitore (ABS) al
generatore (GE)
11
Assorbitore ausiliario
Interviene in aiuto ad ABS
12
Separatore gas
incondensabili
I gas raccolti nell’assorbitore ausiliario vengono separati
dalla soluzione diluita e trasferiti nel recipiente di raccolta
gas (GT)
7
17
SP
18
10
16
9
59/60
No
Componente
Descrizione
12
Separatore gas
incondensabili
I gas raccolti nell’assorbitore ausiliario vengono separati
dalla soluzione diluita e trasferiti nel recipiente di raccolta
gas (GT)
13
Recipiente gas
incondensabili (GT)
Trattiene i gas incondensabili
14
Valvola di servizio gas
incondensabili (A)
Valvola per la rimozione dei gas incondensabili dal
recipiente GT
15
Valvola di servizio per
gas incondensabili (B)
Valvola per la rimozione dei gas incondensabili nell’area
ABS/EVA
16
Valvola di prelievo
soluzione diluita
Valvola di accesso al circuito della soluzione diluita
17
Valvola di prelievo
soluzione concentrata
Valvola di accesso al circuito della soluzione concentrata
18
Filtro
La soluzione proveniente dall’assorbitore viene filtrata prima
di entrare nella pompa
CB
19
CTI
22
INLET COND
OUTLET COND
2
EXTRACTION
19
20
14
13
HWT
24
INLET GENER
Centralina si controllo
(CB)
Gestisce tutte le operazioni di comando ed interfaccia
con i controlli esterni
Flussostato (FFSL)
Arresta l’operatività dell’unità se la portata dell’acqua
refrigerata scende al di sotto dell’80% di quella
nominale
21
Sonda di rilevazione
temperatura (WTO)
Controlla la temperatura di uscita dell’acqua di
raffreddamento
22
Sonda di rilevazione
temperatura (CTI)
Monitorizza la temperatura dell’acqua di
raffreddamento
23
Sonda di rilevazione
temperatura (LT)
Agisce sull’operatività dell’unità controllando la
temperatura dell’evaporatore
24
Sonda di rilevazione
temperatura (HWT)
Monitorizza la temperatura di ingresso dell’acqua calda
di alimentazione
25
Sonda di rilevazione
temperatura (TIT)
Controlla la temperatura in ingresso all’assorbitore
26
Pompa di ricircolo
Pompa di ricircolo all’evaporatore
OUTLET GENER
1
R
12
WTO
8
INLET FREDDO
21
OUTLET FREDDO
5
11
FFSL
R
LT
23
20
3
25
TIT
15
26
4
OUTLET ASSORB
INLET ASSORB
6
7
17
SP
18
10
16
9
60/60
Corso di Impianti Meccanici – Laurea Triennale
Modulo 9
Impianti frigoriferi ad assorbimento
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Dott. Ing. Marco Pellegrini
Dott. Ing. Michele Gambuti
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna