Cicli ad assorbimento
Il compressore meccanico del fluido del ciclo inverso è sostituito da un
complesso assorbitore-generatore (vedi figura 10.25). Il primo componente
A (assorbitore), attraverso un solvente, permette di portare in soluzione il
fluido refrigerante che pertanto si mantiene ad una pressione bassa; il
secondo componente G (generatore o bollitore), col riscaldamento della
soluzione, riemette il soluto ad una pressione superiore a quella ottenuta
nell’assorbitore.
Questo ciclo richiede che il fluido frigorigeno sia solubile in un solvente
con una notevole variazione di pressione di vapore in funzione della
temperatura.
Le coppie più utilizzate di sostanze sono indicate nella tabella 1 .
Tabella 1 - Coppie di sostanze utilizzate negli impianti ad assorbimento.
SOLUTO
(Refrigerante)
Ammoniaca
SOLVENTE
Acqua
Bromuro di
Litio
CAMPO DI
LAVORO
Acqua
Sopra 0°C
APPLICAZ.
Refrigerazione
industriale
Condizionamento
L’assorbitore lavora a bassa temperatura ed essendo la reazione di
assorbimento esoterma, l’apparecchio cede il calore Q 2 che deve essere
asportato e riversato in ambiente; all’opposto nel generatore si deve fornire
calore Q 1 . Il lavoro di compressione è quindi sostituito dalla fornitura di
fornito a temperatura superiore
energia attraverso il calore Q 1
all'ambiente e Q 2 sottratto a temperatura ambiente.
La rimanente parte dell'impianto (condensatore C, valvola di trafilazione
V ed evaporatore E) è identica a quella di un normale impianto a
compressione di vapore.
La pompa P trasporta la soluzione ricca dall'assorbitore al generatore con
bassissimo (trascurabile nei calcoli) consumo di energia; lo scambiatore in
controcorrente S permette di ricuperare il calore della soluzione povera che
procede dal generatore all'assorbitore cedendolo alla soluzione ricca che
procede in senso inverso.
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L’impianto ad assorbimento funziona come un convertitore exergetico e
può essere utilizzato sia come frigorifero che come pompa di calore secondo
gli schemi di figura 10.25.
Figura 10.25 - Impianto frigorifero o pompa di calore ad assorbimento.
Il progetto dell'impianto ad assorbimento si effettua con l'uso del
diagramma entalpie-concentrazioni (Merkel e Bosnjakovic) della soluzione
utilizzata. Nel caso di acqua (solvente) ed ammoniaca (soluto) il diagramma
in questione è riportato nella figura 10.26.
Nel seguito si farà riferimento a questa coppia di sostanze in quanto essa
presenta la maggiore generalità di comportamento e di applicazione.
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Figura 10.26 – Diagramma entalpia-concentrazione per la miscela acquaammoniaca.
Sul diagramma in questione sono indicate le entalpie in ordinate e le
concentrazioni sulle ascisse (definite come rapporto fra la massa di soluto e
la massa della soluzione); il valore 1 di concentrazione corrisponde quindi a
solo soluto (nel caso di figura 10.26 ammoniaca).
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Sul diagramma sono riportati alcuni fasci di curve di cui le coppie in
basso (isoterme e isobare) corrispondono alla fase liquida e quelle in alto
(isoterme ed isobare) alla fase vapore in condizione di equilibrio fra loro.
Un ultimo fascio di curve intermedie ausiliarie permette di stabilire,
attraverso una semplice costruzione geometrica indicata nella figura, di
stabilire la corrispondenza fra la condizione del liquido e quella del vapore
fra loro in equilibrio.
Alcuni punti del diagramma non corrispondono a condizioni di equilibrio
fra liquido e vapore (es. i punti 6, 7, 8) in quanto ci si trova fuori dalla
colonna (generatore o assorbitore) dove le varie fasi sono in stretto contatto
fra loro. In particolare questi apparecchi sono costituiti da vere e proprie
colonne di rettifica a piatti o a riempimento dove il contatto fra la fase
liquida e la fase vapore sono garantite da una grande superficie di contatto e
da un riflusso adeguato.
I numeri riportati sul diagramma corrispondono alle situazioni dei punti
indicati sullo schema di figura 10.25.
Ogni kg di ammoniaca che percorre il condensatore-evaporatore sarà
prodotta da f kg di soluzione ricca (nel generatore) e qindi assorbita da 1-f
kg di soluzione povera (nell'assorbitore). Per ottenere questo processo sarà
necessario fornire la quantità di calore qb nel generatore ed asportare,
versandolo in ambiente, la quantità di calore qa nell'assorbitore; i simboli
sono minuscoli in quanto si immaginano riferiti a 1 kg di ammoniaca nel
circuito esterno.
Per una data pressione ed una data temperatura:
h soluz= hamm1− hacqua −q soluz
h vap= hamm1−h acqua
Le linee indicate sul diagramma di figura 10.26 corrispondono alle
seguenti trasformazioni:
1' 1'' 2 nel generatore G
2 2' - 1 1'' nel recuperatore R
3 2'' 4 nell'assorbitore.
I punti 1'' e 5 si corrispondono essendo le due fasi, liquida e vapore nel
generatore (supponendo unitaria l'efficienza della colonna), i punti 2' e 3
coincidono essendo la trasformazione isentalpica ed ovviamente a
concentrazione costante ed infine i punti 1 e 4 sono praticamene
coincidenti essendo trascurabile il lavoro della pompa P del liquido.
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In 1' ed in 3 le soluzioni rispettivamente ricca e povera si trovano in uno
stato di sottoraffreddamento rispetto alle linee isobare corrispondenti pb e pa.
L'equazione di bilancio delle masse del generatore si scrive:
f r=1⋅v f −1 p
dove r ;v ; p rappresentano rispettivamente le concentrazioni delle
soluzione ricca, del vapore che esce da G e della soluzione povera.
Da essa si ottiene:
f=
v − p A' Ao
=
r− p A ' o Ao
Per i vari apparecchi, trascurando le energie cinetiche e gravitazionali, si
possono scrivere le seguenti equazioni di bilancio entalpico:
q b f h1 ' =h5 f −1 h2
per il generatore G
f −1h 2−h 2 ' = f h1 ' −h1
per il ricuperatore R
f −1 h3h8= f h 4q a
per l'assorbitore A
q c=h6−h5
per il conensatore C
q e=h8−h 7
per l'evaporatore E
Il bilancio termico dell'intero apparecchio, trascurando il lavoro lp della
pompa P, stabilisce che:
q bq e=qaqc
Ma dalle equazioni sopra riportate e relative al generatore ed
all'assorbitore si deduce:
q b=h5−[h 2− f h2−h1 ' ]
q a=h8−[ h 3− f h3 −h4 ]
I triangoli Ao 2 A' ed A'o 1' A' sono simili e quindi:
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h2 −h1 ' h 2−h A '
=
1
f
Così i triangoli Ao 3 A' ed A'o A A' sono simili per cui:
h3−h4 h3−h A '
=
1
f
Da queste due relazioni e dalla relazione che definisce f si ottiene:
h 2− f h 2−h1 ' =h3− f h 3−h 4
In conclusione:
q b=h5−h A '
q a=h8−h A '
q r=h A ' −h A
Tutte queste grandezze sono misurabili sul grafico a partire dalla
orizzontale tracciata per A'.
Gli effetti utili dipendono dall'uso dell'apparecchio:
Come frigorifero:
cf =
qe
q bl p
Come pompa di calore:
pc =
qc
qbl p
Le macchine ad assorbimento presentano grande interesse nei casi in cui
si abbia a disposizione del calore di scarico di precedenti attività quali ad
esempio fonderie dell'acciaio, raffinerie, turbogas, motori a combustione
interna ecc.. ed anche collettori termici solari.
L'interesse si manifesta infine nell'uso del calore delle reti di
teleriscaldamento (acqua surriscaldata o vapore) durante il periodo estivo
per la produzione del freddo necessario per il condizionamento dell'aria.
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Alcune macchine (Robur) sono provviste di un bruciatore di gas entro
una caldaia strettamente collegata al generatore a cui fornisce il calore qb.
Anche in questo caso la bontà della macchina quale convertitore termico
può essere verificata attraverso un rendimento exergetico definito come:
=
Exergia utilizzata
Exergia spesa
Il problema della coppia di sostanze acqua-ammoniaca, come appare
anche dal diagramma di figura 10.26, è che il composto più volatile che si
libera dal generatore presenta una concentrazione non proprio unitaria; la
quota 1- v in vapor d'acqua condensa ed a volte gela nella valvola di
espansione V procurandone l'otturazione. Per evitare questo inconveniente è
utile l'introduzione di una colonna di rettifica in testa al generatore per
portare la concentrazione v sopra a 0,95.
Un esempio numerico è riportato nella seguente tabella 2.
Tabella 2 – Impianto ad assorbimento acqua – ammoniaca.
PUNTO
PRESS.
TEMP.
TITOLO
ENTAL.
bar
°C
kgNH3/kgmisc
kJt/kgmisc
1
15
140
0,48
-5
1'
15
140
0,48
230
2
15
20
0,2
503
2'
15
20
0,2
12
3
1
20
0,2
12
4
1
20
0,48
-5
5
15
78
0,97
1780
6
15
20
0,97
600
7
1
-40
0,97
600
8
1
-40
0,97
1630
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q1 = qb
2110
kJt/kg
q2 = qa
1960
kJt/kg
qc
1180
kJt/kg
qe
1030
kJt/kg
Per una potenza frigorifera di 420 kWt si ottiene una:
Portata di ammoniaca di 0,408 kg/s
per cui:
Q1 = Qb
860,4
kWt
Q2 = Qa
799,2
kWt
Qc
481,2
kWt
Qe
420
kWt
L'effetto frigorifero specifico risulta 420/860,4 = 0,408
Il rendimento (exergetico)
essendo la temperatura ambiente di 20°C = 293,15K
T7
293,15
−1
−1
420
T amb
255,15
=
=
=0,433
T amb
293,15
Q b 1−
860,41−
413,15
T1'
Qe
La coppia di sostanze acqua – bromuro di litio, molto usata nelle
macchine ad assorbimento per il condizionamento o la refrigerazione,
presenta le seguenti caratteristiche, alcune positive ed altre negative rispetto
alla coppia acqua-ammoniaca.
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Per quanto concerne il Bromuro di Litio derivano le seguenti
osservazioni:
1) dalla forma delle curve di equilibrio, sul diagramma entalpia
concentrazione, si riscontra che non risulta necessaria la colonna di
rettifica in quanto il vapore prodotto dal generatore presenta una
concentrazione praticamente unitaria (caratteristica positiva);
2) la pressione dell'intero circuito fluido è molto inferiore alla pressione
atmosferica e quindi lavora sotto vuoto molto spinto ottenuto con
involucri a tenuta di vuoto e mantenuto con una pompa da vuoto
(caratteristica negativa);
3) essendo la parte volatile costituita da vapor d'acqua non è possibile
produrre freddo a temperatura inferiore a 0°C (caratteristica negativa);
4) in particolari condizioni di temperatura si forma la cristallizzazione
del bromuro di litio che blocca il funzionamento della macchina e
richiede l'attivazione di una particolare procedura per la riattivazione
(caratteristica negativa);
5) queste macchine hanno dimensioni e potenze considerevoli e quindi
non sono previste per piccoli impianti (caratteristica negativa);
6) la soluzione acqua – bromuro di litio è un poco corrosiva nei confronti
degli acciai e delle leghe di saldatura e quindi sono poche le Ditte su
scala mondiale in grado di costruire macchine efficienti ed affidabili;
in tal caso la durata è di molto superiore alle macchine a compressione
e sulla vita della macchina si ricupera abbondantemente il loro
maggior costo iniziale.
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