La trigenerazione realizzata con la tecnologia ad
assorbimento
Paolo Colaiemma
[email protected]
La
cogenerazione
e
la
trigenerazione sono argomenti
di
grande
attualità.
Provvedimenti normativi e
legislativi atti a promuovere
l’utilizzo esteso di queste
proposte tecnologiche sono in
dirittura d’arrivo e se ne
prevedono di conseguenza
importanti sviluppi applicativi.
Gli argomenti trattati nel
presente lavoro riguardano
impianti
di
piccola
cogenerazione, ossia quelli che
coprono potenze elettriche fino
a 1 MW, che utilizzano allo
scopo motori a combustione
interna.
In
particolare
verranno
considerate le problematiche
poste dall’ adozione, in
accoppiamento ai motori, di
assorbitori,
apparecchiature
queste che permettono la conversione del calore recuperato dal sistema cogenerativo in energia
frigorifera atta agli impieghi più vari, quali processi industriali e climatizzazione ambientale. I
gruppi utilizzati allo scopo sono caratterizzati da potenze frigorifere fino a 176 kW, sono modulari
nella concezione costruttiva e compatibili tra di loro, il che permette installazioni con più unità per
coprire livelli di potenza diversi. Per il loro azionamento è possibile utilizzare acqua a temperature
assai basse, fra i 70 °C e i 95 °C.
Producono acqua a 7 °C, con una efficienza di conversione del 70%.
Di seguito verranno formulati particolari suggerimenti atti ad ottenere il massimo rendimento
energetico del sistema combinato.
Va peraltro segnalato come questa formula tecnologica, altrimenti denominata trigenerazione, trovi
da tempo ampia e proficua diffusione nei paesi del nord Europa, assai attenti ad ogni proposta di
risparmio energetico.
La cogenerazione e la trigenerazione
Il termine cogenerazione si riferisce alla produzione combinata di calore ed energia elettrica (CHP =
Combined Heat and Power) ottenuta impiegando energia primaria.
L’energia primaria può essere quella potenziale del gas o del gasolio utilizzata in un motore a
combustione interna, che aziona un generatore elettrico.
Una gran parte del calore generato dal motore viene recuperata ed impiegata per altri scopi.
In passato, era uso comune installare in loco gruppi elettrogeni, sia per le emergenze - stand by - da
utilizzare cioè in caso d’ interruzione dell’alimentazione da rete, sia per la produzione dell’energia
elettrica necessaria in tutti quei casi in cui questa non era altrimenti disponibile.
Allora non si prestava grande attenzione al rendimento complessivo del sistema; la figura 1 illustra
l’efficienza caratteristica di una installazione di produzione di energia elettrica, senza alcun
recupero del calore dal motore.
Gli attuali costi dell’energia primaria, quelli dell’energia elettrica e l’efficienza globale ottenibile
con il recupero del calore da un gruppo elettrogeno hanno cambiato completamente l’intero
concetto impiantistico adottato, portando alla scelta di soluzioni miranti alla drastica riduzione dei
costi.
Il rendimento ricavabile su motori, che convertono l’energia meccanica in energia elettrica, è
dell’ordine del 32%; ciò in altri termini significa che l’acqua di raffreddamento del motore e i gas
prodotti disperdono quasi il 70% dell’energia potenziale contenuta nel combustibile di
alimentazione impiegato.
Peraltro, normalmente la possibilità di recupero del calore generato dal motore può risultare
dell’ordine del 90%.
L’efficienza del sistema di cogenerazione può essere così espressa:
Te= Ep + ( Pe - Ep) er
Pe
dove :
Te =
Ep =
Pe =
Er =
efficienza totale
energia elettrica
energia primaria
efficienza del recupero
Energia
primaria
100 %
Elettricità 32%
Rendimento 32%
Perdite
Termiche 68%
Figura 1 - Rendimento elettrico di un generatore tradizionale operante senza alcun recupero termico
Energia
primaria
100 %
Elettricità 32%
Recupero termico 54%
Rendimento
complessivo
86%
Perdite termiche 14%
Figura 2 - Cogeneratore (CHP) in cui è previsto il recupero del calore per il riscaldamento e la produzione di acqua
sanitaria
La figura 2 illustra visivamente i vari valori in gioco. Quanto sopra dimostra chiaramente che se,
invece di utilizzare combustibile per produrre solo energia elettrica, si recuperasse ed impiegasse il
calore prodotto, si otterrebbe un incremento dell’efficienza del 54%, con valori complessivi di
questa pari al 86%.
Deve comunque esistere un uso continuo del calore disponibile durante tutto il periodo di
produzione dell’energia elettrica.
Figura 3 - Rendimento complessivo di un cogeneratore in funzione della quantità di calore recuperata ed utilizzata
Se dovesse verificarsi un utilizzo solo parziale, il rendimento complessivo risulterebbe penalizzato.
La figura 3 illustra l’andamento decrescente dell’efficienza del sistema in funzione del mancato uso
del calore prodotto.
Affinché quindi il sistema di cogenerazione risulti valido, scontata la produzione di energia
elettrica, deve verificarsi una contemporanea possibilità di utilizzo del calore disponibile; può
altrimenti essere detto che, assodato un conveniente impiego del calore, deve essere
opportunamente utilizzata l’energia elettrica prodotta.
La concomitanza degli impieghi rappresenta quindi il fattore critico del sistema.
La possibilità di riversare in rete l’eccedenza elettrica disponibile, ovverosia non utilizzabile
direttamente, risolve immediatamente il problema della contemporaneità dell’utilizzo. In altri
termini, in questo caso l’impianto di cogenerazione risulta sempre completamente e continuamente
impegnato a pieno carico. Ovviamente l’eccedenza ceduta alla rete deve essere equamente
compensata (buy back).
E’ molto probabile che il cogeneratore usi in loco tutta l’energia prodotta, particolarmente se trattasi
di applicazioni industriali. In molti casi si verifica pure un uso locale del calore di recupero in
processi associati.
Nel settore terziario (uffici, centri commerciali, alberghi, ospedali, eccetera) l’utilizzo del calore,
viceversa, deve essere considerato diversamente. Mentre i mesi invernali offrono buone opportunità
di impiego del calore per il riscaldamento ambientale e per l’acqua calda sanitaria, non altrettanto
può dirsi per quelli estivi.
Il calore disponibile andrebbe per la massima parte irrimediabilmente perso, se non fosse possibile
un suo proficuo impiego in un gruppo frigorifero ad assorbimento.
In questo caso, più che di cogenerazione si può parlare di trigenerazione (CCHP = Combined Cool
Heat and Power).
Le macchine ad assorbimento disponibili sul mercato utilizzano soluzioni di bromuro di litio ed
acqua. Sono caratterizzate da un COP (Coefficient Of Performance) attorno allo 0,7, funzionano
seguendo un ciclo ad assorbimento a singolo effetto e producono acqua refrigerata a 7 °C con
alimentazione ad acqua calda ricavata dall’impianto di cogenerazione approssimativamente a 90 °C.
Considerato tale COP, con l’assunzione che, ad esempio, tutto il calore recuperato dal motore sia
impiegato nell’assorbitore, la figura 4 evidenzia il rendimento complessivo del sistema, che risulta
nell’ordine del 70%.
L’utilizzo del calore per il raffrescamento oltre che per il riscaldamento ambientale e la produzione
di acqua calda sanitaria migliora quindi sostanzialmente l’economicità del sistema.
Energia
primaria
100 %
Elettricità 32%
Recupero termico 54%
Energia frigorifera 38%
Perdite termiche 16%
Rendimento
complessivo
70%
Perdite termiche 14%
Figura 4 - Sistema di trigenerazione con utilizzazione del calore per la sola produzione di acqua refrigerata
Figura 5 - I grafici si riferiscono ad un sistema di trigenerazione in cui tutto il calore disponibile, non utilizzato per il
riscaldamento e l’acqua sanitaria, viene impiegato per la refrigerazione
La figura 5 illustra l’incremento dell’efficienza del sistema nel caso in cui una frazione del calore
inutilizzato per il riscaldamento e per l’acqua sanitaria venga impiegato per il raffrescamento. In
pratica è poco probabile che tutto il calore recuperato dal motore possa essere completamente
utilizzato.
Poiché il calore disponibile può essere così definito:
Hr = (Pe - Ep) er
dove:
Hr =
Pe =
Ep =
er
=
calore di recupero utilizzabile
energia primaria
energia elettrica
efficienza del recupero
ne segue che l’efficienza totale del sistema potrà essere rappresentata dalla seguente espressione:
Te =
Ep + Hr . qh+ Hr . qc . Ae
Pe
dove:
Te = efficienza totale
qh = frazione di calore assorbita dal riscaldamento (valore percentuale)
qc = frazione di calore assorbita dal raffrescamento (valore percentuale)
Ae = COP del processo ad assorbimento
Alla formula sopra indicata bisognerà fare riferimento per un calcolo, sia pur approssimato,
dell’efficienza complessiva e della convenienza economica dell’impianto, tenuto conto dei diversi
valori delle varie forme di energia in gioco.
Le macchine frigorifere ad assorbimento
Le macchine frigorifere ad assorbimento prese in considerazione nel presente lavoro, sono quelle di
piccola potenza, alimentate ad acqua calda, impieganti come fluido di lavoro una soluzione di acqua
e bromuro di litio.
Dette unità sono state concepite per l’utilizzo di calore a bassa temperatura, con applicazioni tipiche
in processi industriali ed in sistemi di cogenerazione di limitata potenzialità.
La temperatura dell’acqua calda richiesta dal ciclo ad assorbimento è compresa fra i 70 °C e 95 °C.
L’acqua refrigerata è prodotta a 7 °C, particolarmente idonea, quindi, all’impiego in processi di
raffreddamento tecnologico e di condizionamento dell’aria.
Lo smaltimento del calore nel processo ad assorbimento è ottenuto con la circolazione di acqua
nello scambiatore dell’assorbitore / condensatore. Le macchine, di produzione di serie, sono
disponibili nelle seguenti potenze potenze nominali frigorifere: 17,6 kW, 35 kW, 70 kW, 105 kW e
176 kW (corrispondenti a 5, 10, 20, 30 e 50 RT; 1 Refrigeration Ton - 1 RT = 3,5 kWf). Essendo
gruppi modulari compatibili tra di loro possono essere installati in più unità per coprire diversi
livelli di potenza. Nella tabella 1 vengono riportate le specifiche tecniche degli assorbitori presi in
esame. L’utilizzazione del calore di recupero in un impianto di cogenerazione risulta la naturale
applicazione di queste macchine.
Le prestazioni di ogni singola unità vengono evidenziate dalle relative curve caratteristiche.
Si riportano di seguito, in figura 6, quelle dell’unità di potenza frigorifera nominale pari a 105 kW,
che ci serviranno per l’illustrazione dell’esempio appresso riportato.
Le curve contemplano temperature di ingresso dell’acqua di raffreddamento rispettivamente di
27 °C, 29.5 °C, 31 °C e 32 °C. Per le stesse varranno le seguenti considerazioni, valide peraltro per
tutta la gamma delle apparecchiature. Tenendo fissa la temperatura dell’acqua refrigerata prodotta,
pari a 7 °C, la potenza frigorifera erogata è fortemente influenzata dalle temperature dell’acqua di
raffreddamento o meglio di dissipazione e dalla temperatura dell’acqua di alimentazione. Si
otterranno valori di potenza più elevati, infatti, diminuendo la temperatura dell’acqua di
raffreddamento oppure aumentando quella di alimentazione. La temperatura dell’acqua di
raffreddamento, che comunque non può scendere sotto il valore di 24 °C per evitare fenomeni di
cristallizzazione della soluzione di lavoro, è dettata, nel caso di utilizzo di torri evaporative, dalla
temperatura a bulbo umido dell’aria esterna, caratteristica questa della località di installazione.
La temperatura dell’acqua di alimentazione non può eccedere, sulle unità considerate, i 95 °C, per
motivi di sicurezza operativa, risultando la temperatura limite di progetto pari a 100 °C. Essa,
peraltro, come sopra accennato, può scendere a valori molto bassi, scontando per contro forti
penalizzazioni di potenza. Da ultimo è stato illustrato, sempre in figura 6, l’andamento del fattore di
penalizzazione della potenza frigorifera per riduzione della portata nominale dell’acqua di
alimentazione, fermi restando i rimanenti valori caratteristici di funzionamento.
I valori ottenibili dai grafici illustrati possono essere utilizzati per ipotizzare differenti condizioni di
lavoro della macchina, anche se i risultati ottenibili debbono essere considerati solo indicativi.
WFC
SC 5
WFC
SC 10
WFC
SC 20
WFC
SC 30
WFC
SC 50
kW
17,6
35,2
105,6
175,8
°C
°C
kPa
52,6
56,1
70,3
12,5
7
65,8
70,1
40,2
4,58
73
256,2
7,64
120
427
46,4
41,2
Modello
Acqua calda
Acqua raffreddamento
Acqua refrigerata
Potenza frigorifera
Alimentazione
elettrica
Controllo
Dimensioni
Peso
Rumorosità
Temperatura
Ingresso
Uscita
Perdite di carico
Pressione massima di
lavoro
Portata nominale
Volume serpentine
Potenza dissipata
Ingresso
Temperatura
Uscita
Perdita di carico
Fattore sporcamento
M2hr°K/kW
Pressione massima di
lavoro
Portata nominale
Volume serpentine
Potenza assorbita
Ingresso
Temperatura
Uscita
Range
Perdita di carico
Pressione massima di
lavoro
Portata nominale
Volume serpentine
l/s
l
kW
°C
°C
kPa
0,77
8
42,7
1,53
17
85,4
38,3
85,3
kPa
l/s
l
kW
°C
°C
°C
kPa
3,06
47
170,8
31
35
45,3
588
2,55
37
25,1
95,8
5,1
66
50,2
10,2
15,3
125
194
100
151
88
83
Minimo 70 – Massimo 95
95,4
46,4
60,4
kPa
l/s
l
Potenza assorbita
W
Intensità di corrente
A
Refrigerazione
Larghezza
mm
Profondità
mm
Altezza (compresa piastra
mm
di fissaggio / vite di livel.)
A vuoto
kg
In esercizio
kg
Livello sonoro dB(A) a 1 metro
Circuito acqua di
raffreddamento
Circuito acqua calda
588
0,086
Alimentazione elettrica
Circuito acqua refrigerata
Diametro
tubazioni (A)
kPa
25,5
335
251
85,2
588
1,2
10
220V
1 fase
50Hz
48
0,22
2,4
21
210
0,43
594
744
4,8
54
7,2
84
12
170
400V 3 fasi 50Hz
310
1,25
590
2,6
760
970
260
0,92
ON - OFF
1.060
1.300
1.380
1.545
1.785
2.060
1786
1.983
2.116
2.130
2.223
365
420
46
500
604
46
930
1.156
49
1.450
1.801
46
2.100
2.725
57
mm
32
40
50
50
80
mm
40
50
50
65
80
mm
Armadio
Tabella 1 - Specifiche tecniche degli assorbitori considerati
40
40
50
65
80
Impermeabile idoneo ad installazione all’aperto,
dotato di pannellature di acciaio zincato verniciato
color alluminio.
160
Temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
Potenza frigorifera erogata kW
140
a
120
2 7 °C
2 9 . 5 °C
100
3 1°C
80
3 2 °C
Standard point
Uscita acqua refrigerata 7°C
60
40
20
0
65
70
75
80
85
90
95
100
Temperatura di alimentazione acqua calda °C
250
Potenza termica assorbita kW
Temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
200
b
2 7 °C
2 9 . 5 °C
150
3 1°C
3 2 °C
100
Standard point
Uscita acqua refrigerata
7°C
50
0
65
70
75
80
85
90
95
100
Temperatura di alimentazione acqua calda °C
Fattore di penalizzazione della potenza erogata
1,1
1
0,9
Standard point.
Uscita acqua refrigerata
7°C
0,8
c
0,7
0,6
0
20
40
60
80
100
120
Variazione portata acqua calda %
Figura 6 - Curve caratteristiche di prestazione dell’ assorbitore di potenza frigorifera nominale pari a 105 kW
Schema concettuale di impianto di trigenerazione
In figura 7 è illustrato uno schema concettuale di impianto di trigenerazione che impiega un motore
endotermico ed un assorbitore con distribuzione a 4 tubi.
L’impianto è caratterizzato da due circuiti, quello primario al servizio del motore / alternatore,
dotato di dissipatore di emergenza, e quello secondario di gestione dell’assorbitore e relativa torre
evaporativa. I due circuiti sono interconnessi da uno scambiatore.
All’avvio del motore viene azionata anche la pompa P5. Il liquido di raffreddamento del motore
fluirà dallo scambiatore attraverso la valvola miscelatrice MV3 al motore e ritornerà quindi allo
scambiatore.
Qualora il sistema non chieda calore ed il liquido refrigerante ecceda il limite di temperatura
prefissato (nell’ordine dei 90 °C) la valvola MV3 devierà parte dello stesso al dissipatore di
emergenza. In tal modo verrà garantita la temperatura massima di ritorno dettata dal costruttore del
motore.
Figura 7 - Schema concettuale di impianto con condensazione operata mediante torre evaporativa
Allorché il liquido di raffreddamento del motore avrà incrementato la sua temperatura nello
scambiatore di calore fino a 70 °C e sia richiesta acqua refrigerata, verranno azionate le pompe P3,
P2 e P1 a servizio dei circuiti idraulici dell’assorbitore.
L’acqua calda di alimentazione fluirà dallo scambiatore attraverso le valvole deviatrici MV2 e MV4
sino all’assorbitore e da questo ritornerà allo scambiatore. L’acqua refrigerata spinta dalla pompa
P1 fluirà alle diverse utenze (centrale di trattamento aria, ventilconvettori od altro).
Se è richiesto contemporaneamente calore, la valvola deviatrice MV1 verrà azionata allo scopo di
convogliare l’acqua calda proveniente dall’assorbitore all’utenza termica.
Nel caso di solo fabbisogno termico per riscaldamento, la valvola MV4 escluderà l’assorbitore.
Qualora il motore venga posto fuori servizio per manutenzione od altro, la valvola MV2 provvederà
a deviare tutto il fluido termovettore verso la caldaia ausiliaria, allo scopo di soddisfare comunque
l’utenza. La stessa, ovviamente, dovrà essere in grado di fornire l’acqua calda alle temperature e
nelle quantità di progetto.
Nello schema è prevista una torre evaporativa chiusa. Poiché la qualità dell’acqua ed il suo
trattamento richiedono pur sempre una particolare attenzione, le torri chiuse offrono una soluzione
idonea per la salvaguardia dell’assorbitore.
Il sistema di regolazione
Di seguito, con riferimento allo schema di figura 7, viene illustrato il sistema di controllo del
funzionamento delle macchine.
Nella tabella delle specifiche tecniche sono riportate le funzioni di regolazione ON-OFF. Nella
modalità ON un termostato (WT1) posizionato sulla mandata dell’acqua refrigerata comanda, in
funzione della temperatura di questa, la pompa dell’acqua calda di alimentazione.
Le temperature standard di regolazione sono le seguenti:
• avvio della pompa dell’acqua calda alla temperatura dell’acqua refrigerata in uscita dalla
macchina di 10,5 °C;
• arresto della stessa pompa alla temperatura dell’acqua refrigerata in uscita di 6,5 °C.
Figura 8. ASM – Pavia - Impianto di trigenerazione con microturbina ed assorbitore utilizzato per
climatizzazione ambientale. Potenza elettrica 60 kW, termica 100 kW, frigorifera 70 kW.
Le temperature sopra indicate (set point) possono essere modificate, senza peraltro alcuna
possibilità di cambiamento del differenziale di temperatura delle stesse.
Questa caratteristica permette di impostare sulle unità una regolazione a step control fissando
differentemente in cascata i set point delle singole macchine in installazioni di più unità combinate;
l’utilizzo dei gruppi può così essere modulato in funzione delle variazioni del carico.
Per la refrigerazione la macchina richiede l’operatività della pompa P1 dell’acqua refrigerata, della
pompa P2 dell’acqua di raffreddamento e della pompa P3 dell’acqua calda di alimentazione. Nel
normale funzionamento la pompa P3 dell’acqua calda di alimentazione e la pompa P2 dell’acqua di
raffreddamento operano comandate dal termostato (WT1), posizionato sull’uscita dell’acqua
refrigerata. Di conseguenza se la temperatura dell’acqua refrigerata si abbassa sino a valori di
6,5 °C o meno, le pompe P2 e P3 vengono disattivate. La pompa P1 dell’acqua refrigerata,
viceversa, rimane operativa e di conseguenza provvede alla domanda variabile del sistema di
climatizzazione. Se la temperatura dell’acqua refrigerata mossa dalla pompa P1 sale a 10,5 °C le
pompe P2, P3 si riavviano immediatamente. L’operatività della macchina verrà così pienamente
ristabilita. Può quindi affermarsi che l’unità in realtà non è mai stata messa fuori servizio dal
termostato (WT1); essa è stata semplicemente esclusa dall’alimentazione, assecondando il carico di
refrigerazione richiesto dal sistema.
Con la macchina fuori servizio OFF, con segnalazione STOP sul pannello di controllo della CPU,
anche la pompa P1 cessa di operare. Tale stato consiste ovviamente nella completa inattività di
funzionamento dell’unità.
Modello
Potenza resa
kW
Temperatura
Acqua
PMS 6/65
ICT 3-63
ICT 4-54
ICT 4-66
ICT 4-59
42,7
85,4 (51,2)
171
256
428
Ingresso
°C
35
Uscita
°C
31
Portata nominale
l/s
2,55
5,12
10,2
15,3
25,5
Perdita di carico
kPa
4
2,1
17,9
17,9
22.1
Bulbo umido
Acqua evaporata max
°C
l/m
26
1,11
26
2,12
26
4,5
26
6,7
26
11,2
n°
1
1
1
1
2
1,5
2,2
2 x 1,5
6,3
9,3
4 poli
1826
1226
4 poli
2731
1226
Ventilatori
Aria
Potenza assorbita
kW
0,55
0,7 (0,15)
mc/s
1,19
2,32
Alimentazione
Portata aria (max)
Elettrica
Larghezza
Profondità
mm
mm
4 poli
800
800
4/8 poli
914
921
Altezza
mm
2110
1880
2312 (2414)
2617 (2719)
2616
kg
kg
75
180
235
400
320 (365)
685 (730)
575 (620)
1085 (1130)
55,3 a 10 m
69 (62)*
76 (60)**
79 (68)**
853
1592
84 (72)**
a 1,5 m
Motore
Dimensioni
Peso
Rumorosità
Diametro
tubazioni
A vuoto
In esercizio
Livello sonoro dB(A) a 3 metri in
campo libero rilevato sulla sommità
Ingresso
mm
50
80
100
100
100
Uscita
mm
50
80
100
100
100
Reintegro
Troppo pieno
mm
mm
20
15
25
50
25
50
25
50
25
50
Scarico
mm
20
50
50
50
50
Pacco di scambio
PVC
Rampa distribuzione acqua
PVC
Ugelli spruzzatori acqua
Finiture
PP
ABS
ABS
ABS
ABS
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
PVC
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Separatori di gocce
Bacino
Vetroresina
Pannelli di rivestimento
Vetroresina
Acciaio
Alluminio
zincato
*In parentesi valori in bassa velocità del ventilatore per unità ICT 3- 63
**In parentesi valori con l’adozione di ventilatore a bassa rumorosità per unità ICT 4-54, ICT 4-66 e ICT 4-59
Ventilatore assiale
Nota
4,3
400V 3 fasi 50Hz
4 poli
1216
1226
Tabella 2. Specifiche tecniche delle torri evaporative considerate
Lo smaltimento del calore
Come sopra accennato, per la corretta funzionalità della macchina è necessario smaltire in ambiente
esterno una quantità di calore somma di quello di alimentazione della macchina stessa, più quello
assorbito dall’ambiente da refrigerare.
Nel caso dell’unità in esame WFC-SC 30 la potenza da dissipare risulterà pari a 256,6 kW somma
di quella di alimentazione pari a 150,6 kW e di quella assorbita dall’ambiente pari a 105 kW.
Per il rigetto del calore generato negli assorbitori, che utilizzano quale fluido di lavoro una miscela
di acqua e bromuro di litio, sono normalmente impiegate torri evaporative. La loro adozione è
dovuta principalmente al basso livello delle temperature di smaltimento imposto dall’assorbitore
(31-35 °C).
Il funzionamento delle torri evaporative è basato sull’utilizzazione del calore latente di
evaporazione dell’acqua. Mettendo a contatto nella torre una portata d’acqua, finemente suddivisa,
con una corrente d’aria, una piccola quantità di acqua viene assorbita per evaporazione dalla
corrente d’aria, sottraendo il suo calore latente di evaporazione all’acqua restante.
Figura 9. Società Metropolitana Acque, Torino - Assorbitori funzionanti ad acqua calda, ricavata da
cogeneratore, di potenza frigorifera complessiva pari a 140 kW. Mediante il loro impiego si provvede al
raffreddamento del biogas prodotto nei digestori.
L’acqua uscente dalla torre sarà appena un po’ meno in quantità, ma sensibilmente più fredda di
quella inizialmente entrante, ed il calore sottratto, come calore latente di evaporazione, risulterà
disperso nell’ambiente, sotto forma di vapore acqueo contenuto nella corrente d’aria uscente, la cui
umidità sarà, pertanto, aumentata rispetto all’aria entrante, normalmente sino alla saturazione.
Il calore sottratto all’acqua non dipende dalla temperatura a bulbo secco dell’aria entrante, ma
solamente da quella a bulbo umido. Ciò risulta importante in quanto, per umidità relativa inferiore
al 100%, la temperatura a bulbo umido è inferiore a quella a bulbo secco (ad esempio con bulbo
secco di 32 °C ed umidità relativa pari al 52%, il bulbo umido è solo a 24 °C) e nei processi di
raffreddamento ci si può avvicinare a temperature sensibilmente inferiori rispetto a quelle ottenibili
utilizzando sistemi a secco.
La caratteristica peculiare delle torri evaporative è che il raffreddamento è ottenuto a spese di un
modesto consumo d’acqua (qualche % della portata in circolo), ma con un consumo di energia
ridotto rispetto ad un equivalente raffreddamento ad aria.
Il consumo d’acqua in una torre evaporativa è dato dalla somma di quello per evaporazione, di
quello per trascinamento delle gocce d’acqua nell’aria uscente (di solito nell’ordine dello 0,002%
della portata d’acqua circolante) e di quello di spurgo, variabile in funzione della qualità dell’acqua
utilizzata, con valori compresi fra il 30 ed il 100% del consumo d’acqua per evaporazione.
Per quanto riguarda lo spurgo va precisato quanto segue. La continua evaporazione dell’acqua
provoca un progressivo aumento, nell’acqua rimasta, della concentrazione di sali ed altre impurità,
anche di quelle assorbite dall’aria ambiente. Se non controllata, la concentrazione nell’acqua di
ricircolo di sali ed altri solidi disciolti aumenta molto rapidamente provocando incrostazioni
depositi e corrosioni, che pregiudicano il corretto funzionamento e la durata delle apparecchiature
utilizzate. Per limitare l’aumento di dette concentrazioni occorre effettuare uno spurgo, vale a dire
uno spillamento continuo realizzato a mezzo di una saracinesca posta possibilmente sulla tubazione
di entrata dell’acqua nella torre.
Nella tabella 2 sono riportate le specifiche tecniche delle torri evaporative da utilizzare in
accoppiamento agli assorbitori considerati nel presente lavoro.
Allo scopo di fornire un’idea dei valori in gioco, varrà segnalare che per l’assorbitore WFC-SC 30,
preso in esame, i valori massimi relativi ai consumi d’acqua risultano i seguenti: per evaporazione:
402 l/h; per trascinamento: 1 l/h; per spillamento: 402 l/h (valore massimo); per un totale massimo
quindi di 805 l/h.
Compatibilità delle macchine
Le varie considerazioni fatte finora presuppongono che l’impianto di trigenerazione sia stato ben
studiato per la sua specifica applicazione e che le diverse macchine adottate siano tra loro
perfettamente compatibili; in particolare per quanto riguarda gli assorbitori, siano stati verificati gli
intervalli di temperatura e le portate d’acqua utilizzate.
Un’ attenta progettazione dell’impianto deve mirare ad un sostanziale recupero del calore
disponibile; ciò è particolarmente necessario allorché questo viene per la massima parte impiegato
nell’assorbitore, la cui alimentazione e le cui prestazioni sono ad esso strettamente correlate.
Una disattenta valutazione delle portate e della compatibilità delle temperature possono rendere il
sistema praticamente inefficace.
Frequentemente, il recupero del calore da un motore è effettuato mediante la circolazione di acqua
con portate atte ad ottenere un salto termico di 20 °C, con mandata a 90 °C e ritorno a 70 °C.
Se si ipotizza che nel circuito primario, quello del motore, sia disponibile una temperatura massima
di 90 °C, ne consegue che anche nel circuito secondario, quello di alimentazione dell’assorbitore, è
teoricamente disponibile la stessa temperatura. Qualora poi l’assorbitore fosse in grado di sfruttare
tutto il salto termico provvisto dal primario, ne risulterebbe un pieno utilizzo della potenza termica
recuperata dal motore.
Va tenuto presente, per contro, che gli assorbitori normalmente non riescono a lavorare con un
differenziale di temperatura così ampio e comunque qualora operino con temperature di
alimentazione inferiori a quelle di progetto, le loro prestazioni vengono sostanzialmente penalizzate
(vedi figura 6). Tutto ciò si traduce praticamente in un parziale utilizzo della potenza termica
erogata dal primario.
Il calore inutilizzato può naturalmente essere impiegato altrove o smaltito nel radiatore di
emergenza.
Tuttavia questo è calore che può essere stato considerato completamente disponibile nel progetto
della macchina ad assorbimento e, come sopra accennato, se la quantità di calore recuperata dal
motore non è largamente eccedente quella richiesta dall’assorbitore, ne risulterà una cospicua
riduzione della potenza frigorifera ottenibile.
La massima potenza ricavabile si registra in ogni caso allorché la portata del circuito secondario
risulta la stessa del circuito primario.
L’esempio appresso riportato chiarirà meglio tutto quanto sopra asserito.
Esempio di valutazione delle prestazioni
I valori considerati nell’esempio sono individuati sulle curve caratteristiche di prestazione con i
simboli seguenti:
- valori di funzionamento di targa o nominali.
- (x) valori differenti da quelli di targa, contemplati nell’esempio.
Vanno rammentate peraltro le formule seguenti.
Bilancio termico della macchina
Pd = Pa+Pf
(1)
dove,
(kW)
Pd = potenza termica dissipata in atmosfera
Pa = potenza termica di alimentazione
Pf = potenza frigorifera prodotta, equivalente alla potenza termica
assorbita dall’ambiente da climatizzare
(kW)
(kW)
(kW)
Potenza termica scambiata in un circuito idraulico
P = C ΔT Q
dove:
P =
C =
ΔT =
Q =
(2)
potenza termica scambiata
calore specifico dell’acqua, pari a 4,187
differenziale di temperatura dell’acqua
portata volumetrica dell’acqua
(kW)
(kWs / °C l)
(°C)
(l/s)
Si consideri un motore che, funzionando in assetto cogenerativo, produca a pieno carico 180 kW
termici, con temperatura di mandata dell’acqua a 90°C e di ritorno a 70°C.
La portata dell’acqua nel circuito relativo risulterà in base alla formula (2) la seguente:
Q=
180 kW
20°C x 4,187 kW s / °C l
= 2,1 l/s
Per la produzione di acqua refrigerata si vogliano utilizzare apparecchiature ad assorbimento della
serie proposta.
Si valuti allo scopo l’adozione di un assorbitore da 105 kW di potenza frigorifera (WFC-SC 30), le
cui caratteristiche prestazionali siano quelle illustrate nelle curve sopra riportate.
Si supponga di alimentare l’assorbitore con l’acqua ricavata dal motore, adottando un’uguale
portata. Questa pari a 2,1 l/s risulta il 29% di quella nominale dell’assorbitore considerato, stabilita
a 7,2 l/s, corrispondente quindi ad un fattore di penalizzazione della potenza erogata di 0,73 (valore
evidenziato dal punto c nel grafico di figura 6).
Avendo fissato la temperatura dell’acqua di alimentazione dell’ assorbitore a 90°C, ipotizzata una
temperatura d’ingresso allo stesso dell’acqua del circuito di condensazione a 29,5 °C, si otterrà
dalle curve caratteristiche di prestazione rispettivamente :
Pf potenza frigorifera prodotta
= 118,6 kW (punto
Pa potenza termica di alimentazione = 174,9 kW (punto
a) x 0,73 = 86,6 kW
b) x 0,73 = 127,7 kW
Il salto termico dell’acqua nel circuito di alimentazione per la formula (2) risulterà:
ΔT=
127,7 kW
2,1 l/sec x 4,187 kW s / °Cl
= 14,5 °C
Operando in tal modo solo 127,7 kW dei 180 kW disponibili, il 70% circa, saranno utilizzati
proficuamente nel processo di refrigerazione. Conseguentemente il restante 30% dovrà essere
impiegato in altro modo o semplicemente dissipato in atmosfera.
Qualora si volesse utilizzare lo stesso per produrre ulteriore refrigerazione si dovrà impiegare un
secondo assorbitore, naturalmente di potenzialità ridotta rispetto a quello sopra indicato, ad esempio
di 70 kW nominali (WFC-SC 20), da installare in serie al precedente.
Questo verrà alimentato con acqua a 75,5 °C , essendo:
Ta = 90 °C - 14,5 °C = 75,5 °C
La portata dell’acqua di alimentazione risulterà ovviamente la stessa, Q = 2,1 l/sec.
Procedendo come sopra, tramite le curve di prestazione della macchina considerata, oppure
utilizzando un apposito programma computerizzato, si otterrà rispettivamente (vedi scheda di
prestazione sotto riportata):
Pf potenza frigorifera prodotta
Pt potenza termica di alimentazione
=
=
44,3 kW x 0,83 = 36,8 kW
57,1 kW x 0,83 = 47,4 kW
Il differenziale di temperatura dell’acqua di alimentazione risulterà per la (2) pari a 5,5°C.
Questi aggiunti ai 14,5 °C precedenti daranno i 20 °C richiesti.
La potenza termica totale utilizzata ammonterà a 175,1 kW sui 180kW disponibili e produrrà un
effetto frigorifero di 123,4 kW, con un COP complessivo pari a 0,7.
Ovviamente accanto a queste valutazioni puramente tecniche, dovrà essere presa in considerazione
la convenienza economica al completo utilizzo dell’energia termica disponibile, dati i bassi valori di
ritorno sugli investimenti marginali da effettuare.
Va infine sottolineato, ancora una volta, come valori di funzionamento per condizioni diverse da
quelle di targa possono essere ricavati dalle curve caratteristiche di prestazione oppure, su richiesta
all’indirizzo e-mail [email protected], dalle schede di prestazione del tipo sotto
illustrato.
Va peraltro rammentato che i valori così ottenuti debbono essere considerati solo indicativi e come
tali, pertanto, utilizzati.
Scheda di prestazione WFC SC 20
temperatura acqua calda di alimentazione
portata acqua calda di alimentazione
temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
75,5 °C
2,1 l/s
29,5 °C
Portata
Temperatura ingresso
Perdita di carico (nominale)
Potenza da dissipare
10,2
29,5
45,3
84,2
l/s
°C
kPa
kW
Portata
Temperatura uscita
Perdita di carico (nominale)
Potenza frigorifera erogata
3,05
7
66,2
36,8
l/s
°C
kPa
kW
Portata
Temperatura ingresso
Perdita di carico
Potenza termica assorbita
∆t acqua calda di alimentazione
2,1
75,5
7,8
47,4
5,5
l/s
°C
kPa
kW
°C
Per ulteriori informazioni contattare:
Maya S.p.A.
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20124 Milano MI
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Milano 2/2012
