i quaderni del freddo

I QUADERNI DEL FREDDO
Materiale Didattico per il Conseguimento del
Patentino per il Trattamento dei Gas Effetto Serra
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 1
I Processi di Refrigerazione
Chiariamo i concetti di base…
La refrigerazione è un aspetto particolare della trasmissione del calore; essa
coinvolge la produzione e l'utilizzazione di temperature al di sotto di quella
ambiente.
Il raffreddamento delle sostanze richiede che il loro calore venga trasferito,
attraverso una caduta di temperatura, a mezzi solidi o liquidi o gassosi che si
trovano naturalmente oppure sono stati portati artificialmente a una temperatura
più bassa.
Nelle applicazioni pratiche presenta un interesse rilevante il raggiungimento di
temperature più basse per il fluido (chiamato il refrigerante) che circolando
continuamente, asporta calore attraverso due processi:
1. espansione del fluido refrigerante attraverso una caduta di pressione in una
strozzatura, (valvola di espansione o laminazione) senza produzione di lavoro
esterno;
Esempio schematico di un
ciclo
frigorifero
a
compressione con unità
motocondensate e unità
di raffreddamento.
2. espansione del fluido attraverso un salto di pressione in un espansore con
produzione di lavoro esterno.
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LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 1
I Processi di Refrigerazione
Classificazione delle macchine frigorifere
I sistemi che realizzano questi due diversi processi prendono nome rispettivamente
di:
1. Compressione di vapore in quanto l'espansione di un liquido saturo deve
venir preceduta dalla compressione del suo vapore. L'evoluzione di questo ciclo
avviene prevalentemente nella regione liquido-vapore;
2.
Compressione di gas in quanto l'espansione del gas deve venir preceduta dalla
compressione del gas medesimo. L’evoluzione di questo ciclo avviene
completamente in fase gassosa.
Possiamo quindi classificare le macchine frigorifere nel seguente modo:
A.
B.
C.
D.
E.
A compressione di vapore
A compressione di gas
Ad assorbimento
Ad effetto termoelettrico
A termocompressione
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Parte 1
I Processi di Refrigerazione
Ciclo Frigorifero Elementare
Ql
La refrigerazione meccanica è resa possibile da un appropriato utilizzo
delle leggi che governano temperatura, pressione e calore latente di
vaporizzazione.
E
La forma più elementare di un sistema frigorifero è quella riportata nella
figura che si può vedere qui di fianco.
E= Evaporatore
Il fluido frigorigeno evapora nella camera E (evaporatore), assorbendo calore
dall'aria dell'ambiente il calore necessario per evaporare.
A
Il gas passa attraverso il tubo A e raggiunge la camera C (condensatore) dove un
getto di acqua fredda versata sulle pareti esterne della camera assorbe il
calore latente del gas, condensandolo e ritrasformando in liquido.
C= Condensatore
Il fluido poi, percorrendo la tubazione P ritorna nella camera E (evaporatore) e il
ciclo ricomincia nuovamente.
P
C
Qs
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Parte 1
I Processi di Refrigerazione
Ciclo Frigorifero Elementare
Ql
Lo schema della figura precedente illustrava l'utilizzo del calore latente per
assorbire e restituire calore.
E
Il sistema infatti a livello teorico in natura potrebbe anche funzionare ma
risulterebbe praticamente inutilizzabile visti i tempi di risposta e le inerzie che lo
stesso avrebbe per poter compiere le fasi di vaporizzazione e condensazione.
E= Evaporatore
G
Risulta quindi necessario studiare un mezzo (sistema) che permetta al gas di
condensarsi ad una temperatura più elevata rispetto al punto di ebollizione
nell'evaporatore.
P
A
Per ottenere questo risultato generalmente si opera tramite l'aumento della
pressione nella camera C. che provoca il conseguente aumento del punto di
ebollizione del fluido frigogeno e di conseguenza porta anche ad un aumento
della sua temperatura di condensazione.
C= Condensatore
C
Per ottenere questo risultato in tutti i cicli di questo tipo si fa ricorso ad un
Compressore qui indicato con la lettera (G).
Qs
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Parte 1
I Processi di Refrigerazione
Ciclo Frigorifero Elementare
Ql
A questa pressione superiore il gas condensa ad una temperatura
più elevata e, di conseguenza, può essere utilizzata per la
condensazione acqua ad una temperatura più alta rispetto al caso
illustrato prima.
Poiché è necessario mantenere un'alta pressione nel condensatore
C, viene installato un detentore (detto anche laminatore o
termostatica) L sulla tubazione P del fluido liquido.
Questo detentore permette il passaggio verso l’evaporatore E della
quantità di liquido necessario al buon funzionamento del sistema.
Questo aumento di pressione, come vedremo nella slide seguente
avviene in un tempo talmente breve da considerare la trasformazione
teoricamente come adiabatica, ovvero senza alcun scambio di calore
e/o lavoro con l’esterno.
E
E= Evaporatore
L
G
P
A
C= Condensatore
C
Qs
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Parte 1
I Processi di Refrigerazione
Parliamo di Laminazione…
Avviene quando la presenza di una valvola parzialmente aperta (parzializzazione) oppure la strozzatura creata
da un capillare in un condotto portano a una caduta di pressione del gas che si muove con moto stazionario e
uniforme.
In molti casi questo processo avviene in un tempo talmente breve e in uno spazio talmente ridotto che non vi
è tempo sufficiente né una sezione sufficientemente grande per scambiare elevate quantità di calore; il
processo può perciò essere considerato adiabatico.
Dal momento che non si produce lavoro (le pareti del condotto sono fisse), non vi è variazione di energia
potenziale e neppure calore scambiato. Questo fa si che in molti casi l'incremento di energia cinetica sia
trascurabile risulta allora
H1 = H2
Questa equazione ci dice che l'entalpia finale H2 è, in una laminazione, uguale all'entalpia iniziale H1. La
trasformazione è perciò isoentalpica ed è anche irreversibile, a causa delle forti dissipazioni generate dalla
strozzatura nel moto del fluido.
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Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Ciclo Frigorifero a Compressione - Funzionamento
Il ciclo frigorifero a compressione è utilizzato nella maggior parte delle macchine frigorifere e dei
condizionatori per scopi di benessere e per utilizzi nel campo della refrigerazione.
Questo ciclo produce un trasferimento di calore dal fluido da raffreddare (acqua, soluzioni incongelabili o aria)
verso l'atmosfera o l'acqua proveniente da una torre di raffreddamento o disponibile in natura (pozzo, fiume,
lago) dove possa venire smaltito liberamente.
Il trasferimento del calore avviene all'interno di un circuito frigorifero
nel quale circola un fluido refrigerante, per azione di un compressore.
Il ciclo frigorifero di base risulta composta da:
•
•
•
•
8
evaporatore;
compressore;
condensatore;
organo di laminazione.
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Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Nell'evaporatore il refrigerante assorbe calore dall'aria dell'ambiente da raffreddare e
viene portato a ebollizione a bassa temperatura.
In questa fase si produce la completa vaporizzazione del liquido che raccoglie il calore
contenuto nell’ambiente da raffreddare.
Il refrigerante sotto forma di gas esce dall' evaporatore alla temperatura di ebollizione
venendo sottoposto a un leggero aumento di temperatura per raggiungere la
condizione di surriscaldamento. Ciò è necessario per fare in modo che l'ebollizione sia
completa e non rimangano gocce di liquido che possano essere trascinate verso il
compressore (fase di surriscaldamento).
Allo stato di gas surriscaldato viene aspirato dal compressore e al suo interno subisce
un aumento di pressione e di temperatura. Inoltre raccoglie il calore del motore
elettrico che aziona il compressore stesso, raffreddandolo.
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Ciclo frigorifero a compressione
Ciclo Frigorifero a Compressione - Funzionamento
Il gas esce dal compressore ad alta temperatura e ad alta pressione e viene diretto entro la batteria del
condensatore. Qui il gas refrigerante caldo viene dapprima raffreddato e poi condensato passando
dallo stato di vapore surriscaldato allo stato liquido. Il calore che aveva assorbito dall'ambiente da
raffreddare, più l'equivalente termico del lavoro di compressione, viene smaltito nell'atmosfera. Il
refrigerante esce quindi dal condensatore allo stato di liquido caldo a pressione elevata.
Dal condensatore esso raggiunge l'organo di laminazione. Quest'ultimo può essere una valvola di
espansione termostatica o una valvola di espansione elettronica, o un capillare, o un orifizio a sezione
controllata. Indipendentemente dal tipo, l'organo di laminazione presenta una certa perdita di carico
verso il refrigerante liquido che lo attraversa; la pressione del liquido a valle è sensibilmente minore di
quella a monte, pertanto il liquido stesso si espande e passa in parte allo stato di vapore a spese della
frazione rimasta liquida che in tal modo si raffredda e raggiunge la temperatura di evaporazione. In
realtà, attraverso l'organo di laminazione passa una miscela di refrigerante allo stato di vapore e di
liquido. Entro l'evaporatore si completa l’evaporazione del refrigerante stesso per effetto del calore
sottratto all'aria (o all'acqua) che lo attraversa e che viene raffreddata.
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Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Ciclo Frigorifero a Compressione – I Livelli di Pressione
II circuito frigorifero tipico delle macchine a compressione risulta suddiviso in due zone in funzione della
pressione al suo interno: una zona di bassa pressione, fredda, e una zona di alta pressione, calda.
- La zona fredda, a bassa pressione, comprende la parte di valvola termostatica (o dispositivo di
laminazione) dove il refrigerante liquido inizia a espandersi, l'evaporatore, la linea di aspirazione e il lato di
aspirazione del compressore.
- La zona calda, ad alta pressione, comprende il lato eli mandata del compressore, la linea che unisce il
compressore al condensatore, il condensatore e la linea del refrigerante liquido fino all' imbocco del
dispositivo di laminazione.
Il calore da smaltire nel condensatore è maggiore di
quello sottratto all’evaporatore di circa il 25-35% Questa
maggiorazione è dovuta al cosiddetto "equivalente
termico del lavoro di compressione" . Per fare un esempio,
un gruppo refrigeratore d'acqua con 100 kilowatt dovrà
smaltire al condensatore un quantitativo di calore
maggiore del 25-:-30% pari cioè a 125-:-130 kilowatt.
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Ciclo frigorifero a compressione
Ciclo Frigorifero a Compressione – L’efficienza energetica
L'efficienza energetica di un ciclo frigorifero (cioè il rapporto tra la sua potenza frigorifera resa e la potenza
elettrica assorbita dal compressore) è influenzata da due condizioni:
1) la temperatura (pressione) di evaporazione;
2) la temperatura (pressione) di condensazione.
In generale, quanto più alta è la temperatura di evaporazione e quanto più bassa è la temperatura di
condensazione, tanto maggiore risulta l'efficienza del ciclo frigorifero.
In tali condizioni la potenza frigorifera aumenta e la potenza elettrica assorbita diminuisce.
Invece, al ridursi della temperatura di evaporazione e all'aumentare di quella di condensazione le prestazioni
del ciclo peggiorano.
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Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Ciclo Frigorifero a Compressione – L’efficienza energetica
Nelle condizioni di lavoro tipiche per la climatizzazione si può ritenere con buona approssimazione che:
- ciascun aumento di 1 °C della temperatura di evaporazione produce un aumento dell'efficienza energetica
tra il 2/3%. All'opposto, per ciascuna diminuzione di 1°°C l'efficienza energetica si riduce del 2/3%;
- ciascuna riduzione di l °C della temperatura di condensazione produce un aumento tra 1,5-2%dell
'efficienza energetica, e viceversa.
Nelle macchine con condensatori ad aria, la temperatura di condensazione risulta di
norma maggiore di 10-15°C rispetto alla temperatura a bulbo asciutto dell'aria esterna.
Pertanto, con aria esterna a 32°C, la temperatura di condensazione risulta compresa
tra 42 e 47°C, secondo le caratteristiche della macchina.
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Ciclo frigorifero a compressione
Gli Aspetti termodinamici – Le Trasformazioni
L’entalpia è spesso chiamata anche calore totale che rappresenta l’energia posseduta da
una determinata sostanza.
Questa grandezza così come tutte le altre grandezze presenti in un ciclo termodinamico possono essere
rappresentate in una serie di grafici tramite rette o curve che ne caratterizzano l’andamento.
Da qui possiamo dire che un gas subisce una trasformazione termodinamica quando passa da uno stato
iniziale, caratterizzato da una pressione un volume e una temperatura, ad uno stato finale caratterizzato da
volume pressione e temperatura che possono anche essere diversi.
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Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Gli Aspetti termodinamici – Le trasformazioni
Questo fenomeno può essere rappresentato tramite una curva di
trasformazione.
Le trasformazioni possono essere:
1. trasformazione a volume costante (isometrica o isocora);
2. trasformazione a pressione costante (isobara);
3. trasformazione a temperatura costante (isoterma);
4. trasformazione senza adduzione o sottrazione di calore dall'esterno
(adiabatica);
5. Trasformazione ad Entropia costante (isoentropica)
6. Trasformazioni ad Entalpia costante (isoentalpica)
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Ciclo frigorifero a compressione
Gli Aspetti termodinamici – Il Ciclo di Carnot
Un ciclo termodinamico è una
successione
di
trasformazioni
successive subite da un gas al termine
delle quali esso ritorna nelle sue
condizioni di partenza.
IL CICLO DI CARNOT
Il primo e il più noto dei cicli studiati è
quello di Carnot: esso è racchiuso tra
due isoterme reversibili e due
adiabatiche reversibili.
In esso, un gas, preso nelle condizioni
iniziali, 1, viene compresso adiabatica
mente fino alle condizioni 2.
Il gas compresso viene fatto quindi
espandere isotermicamente (dandogli
calore durante l'espansione): il lavoro
liberato è misurato dall'area a c 3 2.
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Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Gli Aspetti termodinamici – Il Ciclo di Carnot
IL CICLO DI
Raggiunto il punto 3 il gas continua ad
espandersi adiabaticamente, fornendo il
CARNOT
lavoro rappresentato dall'area cd 4 3.
Infine il gas, nelle condizioni 4, viene
ricompresso isotermicamente fino al
punto iniziale 1:
il lavoro speso è rappresentato dall'area b
d 4 1.
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Ciclo frigorifero a compressione
Gli Aspetti termodinamici – Il Ciclo Inverso
l
Il ciclo frigorigeno è un ciclo inverso, al contrario di quello che avviene
nel ciclo diretto dove l'obiettivo è quello di produrre lavoro, il ciclo
inverso è un ciclo percorso in senso antiorario che assorbe lavoro,
prelevando il calore ql, dalla sorgente inferiore e cedendo il calore
qs alla sorgente superiore.
L'area del ciclo inverso rappresenta un lavoro negativo, fatto cioè
dall'esterno sull'unità di massa del fluido durante il ciclo.
ql
2
1
4
3
qs = ql + l
Un ciclo inverso viene realizzato collegando tra loro, in un circuito chiuso
lungo il quale circola il fluido di lavoro passando attraverso quattro
trasformazioni fondamentali.
1- 2 vapore saturo a bassa pressione, entra nel compressore e subisce
una compressione adiabatica reversibile (compressione isoentropica);
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4’
1’
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Ciclo frigorifero a compressione
Gli Aspetti termodinamici – Il Ciclo Inverso
l
2 - 3 il calore qs viene ceduto all'ambiente alla temperatura superiore in
un processo di condensazione a pressione costante attraverso uno
scambiatore di calore, il condensatore, da cui il fluido di lavoro esce come
liquido saturo;
3 - 4 un processo di laminazione adiabatica, che viene realizzato in un
organo di espansione, la valvola di laminazione, nel quale il fluido passa
dalla pressione più alta alla pressione più bassa, diminuendo
contemporaneamente la propria temperatura e conservando l'entalpia,
che aveva inizialmente (espansione isoentalpica);
ql
4
4 - 1 il calore ql, viene ricevuto dall'ambiente a temperatura inferiore in
un processo di evaporazione a pressione costante attraverso uno
scambiatore di calore, l'evaporatore, in modo da chiudere il ciclo.
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2
1
3
4’
qs = ql + l
1’
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Ciclo frigorifero a compressione
Gli Aspetti termodinamici – Coefficiente di effetto frigogeno
Le prestazioni di un ciclo inverso frigorigeno vengono espresse attraverso il
coefficiente di effetto frigorigeno Cf definito da:
Cf = ql/l
dove ql, è chiamato effetto frigorigeno, rappresenta il calore massico sottratto
alla sorgente a temperatura inferiore dall'evaporatore ed è pari a:
ql = h1 – h4
Ed l è il lavoro speso nel ciclo e corrisponde al lavoro interno li fornito dal
compressore, dato dalla relativa differenza di entalpia:
l = h2’ – h1
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Ciclo frigorifero a compressione
Gli Aspetti termodinamici – Coefficiente di effetto frigogeno
Ricordiamo poi in base al primo principio della termodinamica che il lavoro l fornito
è legato al calore ceduto dal condensatore qs e il calore sottratto nell'evaporatore
ql dalla relazione:
l = qs – ql
da cui
qs= ql + l
dove qs è la differenza di entalpia per desurriscaldare e successivamente
condensare il vapore nel tratto 2 – 3
qs = h2 – h3
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Ciclo frigorifero a compressione
Gli Aspetti termodinamici – Coefficiente di effetto frigogeno
Ricordiamo infine che la potenza P si ottiene come prodotto della portata in
massa del fluido di lavoro m per il calore massico q:
P=m*q
relazione che viene utilizzata non tanto per ricavare la
potenza, di solito assegnata, quanto per ottenere la portata di
fluido di lavoro necessaria per soddisfare le richieste di un dato
impianto.
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Ciclo frigorifero a compressione
I Diagrammi Entalpici
La rappresentazione dei cicli inversi
viene fatta di solito nel diagramma
pressione p (in ordinate) ed entalpia h
(in ascisse).
La Figura mostra lo scheletro di un
diagramma p_h con riportate la curva
limite che racchiude la regione
liquidovapore, insieme alla posizione
del punto critico, e le linee principali
caratterizzate dalla costanza di titolo x,
volume massico v, temperatura T,
entropia s, pressione p (quest'ultima
all'interno della regione liquidovapore si sovrappone alla linea a T
costante); naturalmente i segmenti di
retta verticali sono le isoentalpiche.
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Ciclo frigorifero a compressione
I Diagrammi Entalpici
1. La zona a sinistra della Campana ed
esterna ad essa rappresenta la fase
Liquida.
2. La zona all'interno della Campana
rappresenta le condizioni in cui ci sono
contemporaneamente le fasi liquida e
vapore
3. L'apice della Campana rappresenta il
punto critico. AI di sopra di questo
punto non vi è più distinzione tra fase
liquida e fase gassosa causa i valori che
assume la densità del liquido.
4. La zona a destra della campana
rappresenta la fase gassosa o del vapore
saturo secco.
24
3
Punto Critico
1
Liquido
2
Liquido e Vapore
4
Gas o Vapore
Saturo Secco
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Ciclo frigorifero a compressione
I Diagrammi Entalpici
5. Liquido Saturo. La linea a sinistra del
punto critico rappresenta per ogni
singolo valore di pressione l’inizio della
fase di vaporizzazione (Punto di
ebollizione).
3
Punto Critico
5
Liquido Saturo
6
Vapore Saturo
6. Vapore Saturo. La linea a destra del
punto critico rappresenta per ogni
singolo valore di pressione il punto di
termine della trasformazione liquidogas.
7. Curve Isotitolo. Rappresentano, ad
una data pressione e in un determinato
punto, la percentuale di liquida e di
vapore che caratterizzano quella fase di
una determinata sostanza.
7
Curve Isotitolo
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Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
I Diagrammi Entalpici
8. Isoterme. Linee che rappresentano la
temperatura costante possiedono per
un azeotropico queste caratteristiche:
Parte A: Nella zona liquido hanno un
andamento quasi verticale dato dalla non
comprimibilità del liquido stesso. Questo indica
che basta un piccolo aumento di temperatura
perché, ci sia un deciso aumento di pressione.
Parte B: Nella zona interna della campana ad
una pressione costante anche la temperatura
risulta essere costante non cambia. Questo è
messo in rilievo dall'andamento orizzontale
delle isoterme.
Parte C: Nella zona del vapore le isoterme
assumono andamento curvilineo. Diminuendo
la temperatura, sempre nella ipotesi di volume
costante, diminuisce in modo abbastanza
brusco anche la pressione.
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Stato Azeotropico
A
B
C
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Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
I Diagrammi Entalpici
Glide: Si noti che nel caso di un
refrigerante zeotropo (esempio il 407c),
le isoterme, all'interno della campana
non sono orizzontali ma inclinate.
Maggiore è l’inclinazione maggiore è
l’effetto Glide della miscela minore è
l’inclinazione minore è l’effetto.
Se lo scostamento (glide) è al di sopra
del grado centigrado la miscela viene
classificata
nel
campo
delle
Zeotripiche.
Stato Zeotropico
A
Glide
Se
invece
lo
scostamento
di
temperatura presenta valori minimali
che si aggirano nell’ordine di decimi di
grado allora la miscela è classificata
come parzialmente azeotropica.
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C
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Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Il Ciclo frigorifero Ideale
Il diagramma che rappresenta un ciclo frigorifero
ideale è riferito ad 1 Kg di sostanza, quindi tutte
le differenze di Entalpia si riferiscono a questa
quantità di refrigerante.
Con riferimento al diagramma qui riportato nel
descrivere il ciclo partiremo dal tratto 4-1
rappresentante la trasformazione che avviene
all'interno dell'evaporatore.
Si mette in evidenza come non sia possibile
partire dalla condizione di liquido puro, cioè sulla
parte curva a sinistra ma si partirà da un certo
titolo ovvero da una certa concentrazione di
liquido vapore.
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Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Il Ciclo frigorifero Ideale
L’effetto frigorigeno Ql relativo alla evaporazione
del fluido di lavoro a pressione (e temperatura)
costante si legge sulle ascisse come differenza tra
h1 e h4.
Il lavoro di compressione l che avviene lungo la
linea a entropia costante piegata verso destra,
viene letto, in ascissa, come differenza tra h2 e
h1.
Il calore ceduto dal condensatore Qs, che avviene
inizialmente,
durante
la
fase
di
desurriscaldamento del vapore, a pressione
costante e successivamente sempre alla stessa
pressione costante (ma anche a temperatura
costante), durante la condensazione, viene letto
sempre sulle ascisse come differenza di h2 e h3.
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LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Il Ciclo Frigorifero Ideale
Infine la laminazione dal punto 3 al punto 4,
essendo una lsoentalpica, permette di far
individuare il punto 4 scendendo dallo stato di
liquido saturo in 3 lungo il tratto verticale 3 - 4
fino a incontrare l'orizzontale, a pressione
costante, lungo cui avviene l'evaporazione.
Sempre sul diagramma p_h conviene rilevare il
volume massico V1 [m3/kg] nel punto 1 in modo
da calcolare, nota la portata in massa m [kg/s] del
fluido la portata in volume Vi [m3/s].
Vi = m * V1
Questo dato è utile per il
dimensionamento del compressore.
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LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Tratto 4-1… Vaporizzazione
In questo tratto il liquido che proviene dalla valvola di espansione o dal capillare è già in parte evaporato,
quindi solo una parte di liquido è teoricamente disponibile per la evaporazione nell'evaporatore più o meno
all’evaporatore arriva una titolo X 80L – 20G.
Nel punto 1 evaporano le ultime tracce di liquido, quindi a destra di questo punto non vi è più fase liquida ma
solo fase vapore. Vedremo che nel ciclo reale a questa fase ne seguirà una altra definita di Surriscaldamento.
Una volta surriscaldato (questo ci dà la certezza che non siano
presenti in sospensione piccole particelle di liquido) il refrigerante
esce dall'evaporatore e, tramite la tubazione di ritorno.
La differenza di Entalpia tra il punto finale della trasformazione 1, ed il
punto iniziale 4, rappresenta la energia che il refrigerante assorbe
dall'esterno per ogni ciclo frigorifero.
4
Questa la si può anche definire come l'effetto
frigorifero generato da 1 Kg di quel determinato
refrigerante per ogni ciclo termico.
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I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Tratto 1-2… Compressione
Il tratto 1-2 rappresenta la trasformazione nel compressore. E’ ovvio che in questo tratto vada ad aumentare
sia la pressione e di conseguenza anche la temperatura del refrigerante. Altra cosa importante è che la
trasformazione avviene tutta in fase di gas.
La differenza di Entalpia tra il punto 2 ed il Punto 1 rappresenta l’energia ceduta dal compressore al
refrigerante, cioè l’energia che entra in gioco per compiere la trasformazione escluse le perdite varie per
dissipazione (questa trasformazione è infatti isoentropica e quindi non considera perdite e attriti).
L’inclinazione del tratto 1-2 corrisponde quindi a una maggiore o
minore efficienza energetica del compressore.
2
Minore è l'inclinazione, maggiore è la quantità di energia necessaria e
maggiore sarà la temperatura raggiunta dal gas all’uscita dal
compressore e viceversa.
4
32
1
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I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Tratto 1-2… Compressione
Questa inclinazione e di conseguenza l'efficienza con cui viene
compiuta la fase 1-2 dipende da:
1) la natura del refrigerante;
2) il tipo di compressore (alternativo, scroll, vite ecc);
2
3) le caratteristiche costruttive del compressore;
4) l'efficienza del motore elettrico semiermetico ed ermetico;
1
5) il rapporto di compressione.
Resta inteso che, come vedremo nell’esempio che segue,
aumentando il rapporto di compressione aumenta
l’energia elettrica assorbita, la temperatura di scarico dei
gas e si registra di conseguenza un calo di rendimento
del compressore medesimo.
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LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Tratto 2-2’-3… Condensazione
Il tratto 2-2’-3 rappresenta ciò che termodinamicamente avviene nel condensatore. Se consideriamo i tratti di
impianto non influenti in 2 ho le condizioni in cui il fluido esce dal compressore ed entra nel condensatore.
Il tratto 2-2’ rappresenta il raffreddamento del gas dalle condizioni di uscita dal compressore alle condizioni
di rugiada in cui inizia a formarsi la fase liquida.
La differenza di Energia 2-2’ rappresenta il raffreddamento che avviene nella fase gassosa e generalmente è
indicato con il termine di desurriscaldamento.
La differenza di Entalpia tra 2’ e 3 è il calore latente di
condensazione (quantità di calore che 1 Kg di sostanza a quella
pressione deve cedere ad un fluido esterno per passare di stato.
3
2’ 2
Vi è poi il Sottoraffreddamento qui non rappresentato. Infatti è
normale far uscire il liquido ad una condizione lievemente più fredda
di quella che avrebbe allo stato di liquido saturo. Questo, oltre ad
avere una buona influenza sul corretto funzionamento dell’organo di
laminazione aumenta anche l’efficienza del ciclo reale come vedremo
più avanti nella lezione.
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Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Tratto 3 - 4… Laminazione
Il tratto 3-4 rappresenta quello che accade dalla uscita del condensatore alla uscita della valvola di
espansione o del capillare.
Questo tratto è verticale, cioè in questa trasformazione non vi teoricamente è una variazione di energia,
quindi nessuna quantità di calore viene scambiato con l'esterno ovvero ciò che si perde come pressione si
guadagna come abbassamento della temperatura.
Come detto non trattandosi di fluidi ideali ma reali anche in questa fase si presentano lievi scostamenti che
però risultano essere non significativi per il bilancio energetico totale.
In questo tratto è presente una caduta di pressione con conseguente
raffreddamento del liquido senza la comparsa della fase gassosa,
quindi senza una variazione apprezzabile del volume specifico.
3
A questo riguardo si ricorda che nelle condizioni reali in casi
particolari è possibile si verifichi un fenomeno denominato Flash Gas
che sostanzialmente consiste in una vaporizzazione anticipata di
una parte di refrigerante nel tratto di impianto comprendente il
laminatore causa eccessive perdite di carico o carenti isolamenti
dell’impianto stesso.
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LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Tratto 3 - 4… Laminazione
Fenomeno questo che va a discapito della resa complessiva del
ciclo frigorifero.
Nel tratto della laminazione che si muove all'interno della campana
vi è la comparsa della fase gassosa che risulterà tanto maggiore
quanto minore sarà la pressione e di conseguenza la temperatura
che si vuole raggiungere.
Si noti che l'effetto frigorifero, cioè la quantità
di fase liquida disponibile per l'evaporazione,
è tanto minore quanto più si scende con la
pressione, e quindi la temperatura, a cui far
avvenire la evaporazione.
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3
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Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
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Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
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LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Consigli per l’Uso
Nel caso in cui la portata sia inferiore a 0,24 m3/s conviene utilizzare un compressore
alternativo, mentre al di sopra di questo valore si preferisce utilizzare un
turbocompressore.
Le temperature di evaporazione e di condensazione, evidenziate sul ciclo sono
necessariamente diverse da quelle dell'ambiente a cui si vuole rispettivamente
sottrarre e cedere calore.
L'evaporatore e il condensatore sono infatti degli scambiatori e quindi, per garantire lo
scambio termico, occorre che, durante l'evaporazione, il fluido si trovi a una
temperatura più bassa di quella dell'ambiente dal quale esso assorbe calore, mentre,
durante la condensazione, il fluido si deve trovare a una temperatura maggiore di
quella dell'ambiente al quale esso cede calore.
Queste differenze di temperatura sono in genere dell'ordine di circa 10°C; così se, ad
esempio, si vuole mantenere la temperatura di una cella per la conservazione di
alimenti alla temperatura di -10°C con una temperatura dell'ambiente esterno pari a +
20°C, la temperatura di evaporazione del fluido nel ciclo dovrà essere di - 20 °C, mentre
quella di condensazione dovrà essere pari a + 30°C.
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LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Consigli per l’Uso
In questo caso la differenza di temperatura tra i due ambienti, la cella
fredda e l'esterno caldo, è pari a 30°C, mentre la differenza tra la
temperatura di evaporazione e quella di condensazione del fluido nel
ciclo è pari a 50°C.
In genere si cerca di tener più bassa possibile la differenza di temperatura tra
evaporazione e condensazione per ovvi motivi di risparmio di energia.
In alcuni casi tuttavia altre considerazioni di ingombro e di condizioni di
lavoro dell'evaporatore e del condensatore intervengono a modificare in
modo sostanziale il criterio prima enunciato.
Ad esempio, nei condizionatori da finestra l'ambiente dal quale l'evaporatore
preleva calore si può trovare a 25°C e il fluido evapora a O °C, mentre
l'ambiente a cui il condensatore cede calore può trovarsi a 35 °C e il fluido
condensa a 50°C; perciò una differenza di temperatura tra i due ambienti di
10°C, deve essere amplificata fino a 50°C nel ciclo in cui opera il fluido.
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I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Il Ciclo Frigorifero Reale
Il ciclo effettivo di refrigerazione
differisce
dal
ciclo
ideale
principalmente a causa della caduta di
pressione che il fluido incontra nel
muoversi all'interno delle tubazioni che
collegano i vari elementi dell'impianto
e per il trasferimento di calore verso
oppure dall'esterno.
La Figura mette in rilievo la caduta di
pressione all'aspirazione e quella
relativa alla mandata. In questa figura è
anche possibile osservare la leggera
condizione di surriscaldamento del
vapore all'inizio della compressione (1
al posto dello stato 1’ di vapore saturo).
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I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Il surriscaldamento ha lo scopo di
evitare che il fluido aspirato dal
compressore contenga tracce di
liquido. Nel caso infatti di un
compressore alternativo, alla fine della
corsa di compressione, la presenza di
liquido nello spazio morto del cilindro
potrebbe addirittura portare al distacco
della testa del cilindro per la mancanza
di comprimibilità del liquido.
Sempre sulla Figura si osserva il leggero
sottoraffreddamento. Fenomeno per
cui il fluido cede calore nel
condensatore non solo fino a
condensare completamente (tratto 2 –
3’), ma si raffredda ulteriormente (da 3’
a 3), sempre alla stessa pressione.
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Flash Gas
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I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Il Ciclo a più Stadi
Fino a ora abbiamo trattato il caso di impianti che
lavorano con differenze di temperatura tra
evaporazione e condensazione piuttosto
modeste.
Nelle applicazioni si trova spesso la necessità di
realizzare un'elevata differenza di temperatura, a
cui va associato un alto valore del rapporto tra la
pressione iniziale e finale del vapore.
Si fa uso allora di una compressione in due
stadi. Rispetto alla compressione in un solo
stadio questa compressione permette di
raggiungere temperature più basse alla fine della
compressione con un lavoro di compressione più
modesto a causa del raffreddamento
intermedio, che fa scendere la temperatura.
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I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Compressione a Due Stadi
Un aumento del coefficiente di effetto frigorifero può essere ottenuto effettuando una compressione a due
stadi refrigerando il fluido frigorifero all’uscita della prima fase di compressione.
Tale accorgimento produce notevoli
vantaggi: per primo riduce il lavoro di
compressione, basta ricordarlo dalla
relazione della compressione a stadio
unico: Lc = h2l – h1. Con la
compressione realizzata da
un
compressore bistadio risulta invece la
seguente: Lc = (h2 – h1) + (h4 – h3).
Per realizzare tale ciclo bisognerà
utilizzare un compressore bistadio e la
refrigerazione intermedia che dovrà
sottrarre la quantità di calore: qr = h2 –
h3
mediante
un
opportuno
refrigerante .
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I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Compressione due stadi con refrigerazione intermedia e sottoraffreddamento
Per migliorare ulteriormente il coefficiente di effetto frigorifero oltre a diminuire il lavoro di compressione si
procede al sottoraffreddamento del liquido frigorigeno. Si ottiene così un aumento dell’effetto frigorifero ed
una diminuzione del lavoro di compressione.
Utilizziamo come fluido refrigerante lo
stesso fluido frigorigeno del circuito sia
per effettuare la refrigerazione
intermedia del fluido frigorigeno, tra i
due stadi del compressore, che per
sottoraffreddare il fluido frigorigeno
all’uscita del condensatore.
L’impianto può essere realizzato in due
modi con cicli frigoriferi differenti, noi
analizzeremo un impianto frigorifero a
due stadi con espansione intermedia
parziale:.
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I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
Ciclo frigorifero a compressione
Compressione due stadi con refrigerazione intermedia e sottoraffreddamento
Si osserva l’uscita del fluido frigorigeno dal condensatore (6),impianto frigorifero con compressione a due
stadi con refrigerazione intermedia e sottoraffreddamenti lo stesso fluido si divide secondo due tubazioni
distinte, una piccola parte di esso (x) viene inviata alla valvola di laminazione dove si espande alla pressione
Pi ed inviata direttamente al refrigeratore intermedio (7).
Allo stesso arriva il fluido frigorigeno surriscaldato proveniente dal primo stadio di compressione. I due fluidi
si miscelano nella parte superiore, uno desurriscaldandosi e l’altro vaporizzando (x).
L’altra aliquota (1-x) proveniente dal condensatore entra nel refrigeratore intermedio che funziona anche
come uno scambiatore a superficie e si raffredda per poi entrare nella valvola di laminazione principale. Il
fluido frigorigeno passa così dal punto 6 al punto 8 sottoraffreddandosi.
Con l’espansione nella valvola di laminazione principale il fluido frigorigeno si porta nel punto 9
all’entrata dell’evaporatore, esce vaporizzato nel punto 10 e si surriscalda passando da 10 a 1, per
compiere poi un nuovo ciclo.
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I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 1
I Processi di Refrigerazione
Guardiamo una applicazione tipo….
La illustra un sistema frigorifero che utilizza
esattamente il medesimo ciclo visto
precedentemente.
Consideriamo di impiegare un fluido
frigorigeno come l’R22 e lo riscaldiamo,
nell'evaporatore A, fino a 4°°C, troveremo
una pressione nell'evaporatore pari a
565,71 kPa.
Non tenendo conto delle perdite di carico
dovute all'attrito si può approssimare il ciclo
dicendo che la pressione all'entrata del
compressore B è ancora di 565,71 kPa.
Qui la pressione del fluido frigorigeno può
essere aumentata da 565,71 a 1.688,50 kPa,
pressione di ingresso al condensatore C.
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I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 1
I Processi di Refrigerazione
Guardiamo una applicazione tipo….
R22 Saturo Caratteristiche a 4°°C
Pressione kPa =565,71; Massa Volumica liq.=1,271; Massa Volumica Gas=0,024; Entalpia=202,08 kj/kg
R22 Saturo Caratteristiche a 44°°C
Pressione kPa =1.688,5; Massa Volumica liq.=1,113; Massa Volumica Gas=0,073; Entalpia=162,13 kj/kg
All'interno del condensatore C il gas compresso è in contatto diretto con il serpentino all'interno del quale
circola l'acqua di raffreddamento: se l'acqua è più fredda del gas quest'ultimo cede calore ad essa ed inizia la
condensazione.
Poiché il compressore mantiene una pressione di 1.688,50 kPa all'interno del condensatore, ed il fluido
frigorigeno è portato a condensarsi, il gas deve essere saturo. Il fluido R22 allo stato gassoso saturo ed alla
pressione di 1.688,50 kPa ha una temperatura di 44°°C (temperatura di condensazione).
A causa della elevata pressione esistente nel condensatore, il fluido frigorigeno liquido è spinto verso la
valvola termostatica E, da cui passa verso l'evaporatore A secondo le necessità: all'interno dell'evaporatore
il liquido si ritrasforma in gas ed il ciclo ricomincia.
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I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 1
I Processi di Refrigerazione
Utilità delle Tabelle…. Un po’ di Conti
Per rendere maggiormente' evidente l'utilità delle tabelle vediamo di precisare meglio il sistema di calcolo.
Sia un carico di 20 kW, o 72.000 kJ/h, all'evaporatore di un fluido frigorigeno R22
una temperatura di evaporazione di + 4°°C;
una temperatura di condensazione di + 44 ° C;
Determinare:
- utilizzando le tabelle, la portata di fluido necessaria;
- il dimensionamento del compressore.
.
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LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 1
I Processi di Refrigerazione
Utilità delle Tabelle…. Un po’ di Conti
Per rendere maggiormente' evidente l'utilità delle tabelle vediamo di precisare meglio il sistema di calcolo.
Sia un carico di 20 kW, o 72.000 kJ/h, all'evaporatore di un fluido frigorigeno R22
una temperatura di evaporazione di + 4°°C;
una temperatura di condensazione di + 44 ° C;
Determinare:
- utilizzando le tabelle, la portata di fluido necessaria;
- il dimensionamento del compressore.
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I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 1
I Processi di Refrigerazione
Utilità delle Tabelle…. Portata di Fluido
Nella tabella di prima leggiamo l'entalpia del refrigerante a + 44°°C, temperatura alla quale il fluido lascia il
condensatore, che è pari a 255 kJ/kg
Nella stessa tabella troviamo l'entalpia totale del gas a + 4°°C, temperatura alla quale il fluido lascia
l'evaporatore, che è pari a 406,8 kJ/kg.
L'effetto frigorifero del ciclo è uguale alla differenza di entalpia tra liquido e gas all'inizio e fine del ciclo,
quindi:
406,8 - 255,0 = 151,8 kJ per kg
La portata di R22 necessaria al nostro sistema è dunque pari al carico totale in kJ/h diviso per l'effetto
frigorifero di ogni kg di refrigerante.
Portata in massa di R22 = 72.000 kj/h/151,8 kj/kg = 474,3 kg/h
da cui deriva 474,3/3600 = 0,132 kg/s
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I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 1
I Processi di Refrigerazione
Utilità delle Tabelle…. Dimensionamento del Compressore
In corrispondenza di + 4 °C leggiamo una pressione di 567,71 kPa ed a + 44°°C una pressione di 1.688,50
kPa.
Dividendo la pressione sul lato premente del compressore – Mandata - (1.688,50 kPa) per la pressione
lato aspirazione (567,71 kPa) si ottiene il rapporto di compressione che è:
1.688,5/567,71 = 2,98.
Il rapporto di compressione è calcolato sempre a partire dai valori delle pressioni assolute: non si
devono mai utilizzare le pressioni relative.
Rileviamo la massa volumica del gas a + 4 °C che è di 0,02403· 103 kg per m3 quindi il compressore dovrà
pompare:
0,132 / 24,03 = 0,0055 m3/s o in alternativa 474,3 / 24,03 = 19,7 m3/h
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I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 1
I Processi di Refrigerazione
Utilità delle Tabelle…. Dimensionamento del Compressore
Se i compressori avessero un rendimento del 100% un compressore con una portata di 5,5*10-3 m3/s sarebbe
sufficiente a risolvere il nostro problema.
Ma come vedremo il rendimento di un compressore varia in
funzione del rapporto di compressione.
Il rendimento diminuisce quando il rapporto di compressione aumenta e viceversa.
Per il nostro esempio ipotizziamo un rendimento dell'82% in volume, la portata reale del compressore sarà
quindi uguale alla portata necessaria diviso il rendimento volumetrico in valori decimali:
(5,5 * 10-3) / 0,82 = 6,7 * 10-3 m3/s o in alternativa 24,0 m3/h
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I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
I REFRIGERANTI NATURALI
Capacità Frigorifera e COP
Qui di seguito sono riportati alcuni grafici che mostrano la capacità frigorifera ed il COP dell'R-22 in rapporto
all’R-404 A in condizioni di refrigerazione in "bassa temperatura" (BT).
L'utilizzo di questi refrigeranti avviene ormai da qualche anno, ma con risultati qualche volta contrastanti, per
quanto riguarda la sostituzione dell'olio e la compatibilità del refrigerante con alcuni componenti del
compressore.
La presenza di una piccola parte di HC (da un 3,4 ad un 5%) o di isobutano R600 e R601 (circa il 2%) nella
miscela, non modifica l'appartenenza al gruppo di sicurezza A1 (non infiammabile e poco tossici) della miscela
stessa.
Comunque sono stati già realizzati numerosi retrofit di sistemi ad HCFC e CFC che, secondo il
produttore del fluido refrigerante, dimostrano quanto segue:
• La sostituzione dell'R22 con R404 in chillers o in impianti di refrigerazione a temperatura normale o
medio bassa, permette di ottenere Capacità di Refrigerazione paragonabili all'R22, con evidenti
risparmi energetici.
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I QUADERNI DEL FREDDO
LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
I REFRIGERANTI NATURALI
Capacità di raffreddamento kW
Capacità di Raffreddamento – (-31,7 °C Evaporazione e 5,6 K condensazione)
9,5
8,5
R – 404 A
7,5
6,5
5,5
R - 22
4,5
3,5
25
30
35
40
45
50
55
Temperatura di Condensazione °C
55
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LEZIONE 3 – Il Ciclo Frigorifero a Compressione
Parte 2
I REFRIGERANTI NATURALI
COP – (-31,7 °C Evaporazione e 5,6 K condensazione)
2,4
2,2
R – 404 A
C.O.P.
2
1,8
1,6
R - 22
1,4
1,2
1
25
30
35
40
45
50
55
Temperatura di Condensazione °C
56
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I QUADERNI DEL FREDDO
Materiale Didattico per il Conseguimento del
Patentino per il Trattamento dei Gas Effetto Serra
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GRAZIE PER
L’ATTENZIONE
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