View
5
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
LA GENERAZIONE DEL FREDDO DAENERGIA TERMICA
Incontro tecnico AICARRCon la collaborazione di:
Sonnenkraft e Systema spa
Costante M. Invernizzicostante.invernizzi@unibs.it
Brescia, 12 dicembre 2008
Outline
1 I limiti termodinamici
2 Le macchine utilizzabili
3 I cicli frigoriferi ad assorbimento
4 L’uso della energia termica di origine solare
5 I collettori solari: piani ed a concentrazione
I limiti termodinamiciLo schema concettuale di riferimento
L’efficienza, ε,rapporto fraeffetto l’utile el’energia (o lapotenza) spesa edefinita come:
ε = qFw+qC
Esempio: i frigoriferi a compressione
Schema semplificato di una macchinafrigorifera a compressione, [1]
• la potenza utilizzataper il funzionamentodella macchina epotenza meccanica(elettrica), w
• l’evaporazione di unfluido (il fluidorefrigerante) producel’effetto frigorifero qF
• il fluido refrigerantecede all’ambiente (atemperaturasuperiore) la potenzafrigorifera e lapotenza meccanica:qC = w + qF
I limiti termodinamiciL’uso di energia termica: lo schema ideale di riferimento
Se
1 l’ambiente si trova allatemperatura T0
2 l’energia necessaria alfunzionamento della macchinafrigorifera e energia termica qC ,disponibile alla temperatura TC
3 l’utenza frigorifera e allatemperatura TF
ε = qFqC
= TC−T0TC
× TFT0−TF
I limiti termodinamiciCalore sensibile: lo schema di riferimento
Se
1 l’ambiente si trova allatemperatura T0
2 la potenza necessaria alfunzionamento della macchinafrigorifera e potenza termica qC ,disponibile fra la temperatura TC ,a
e la temperatura TC ,b
3 la potenza frigorifera qF va fornitaad una utenza a temperaturavariabile fra TF ,a e TF ,b
ε = qFqC
=mC×Cp,C(TC ,a−TC ,b)mF×Cp,F(TF ,a−TF ,b)
I limiti termodinamiciCalore sensibile: caso ideale
Se le macchine, con tutta la catena di trasformazioni e gli scambitermici, sono ideali
ε =qF
qC
=ln(TC ,a
TC ,b
)− TC ,a−TC ,b
T0
TF ,a−TF ,b
T0− ln
(TF ,a
TF ,b
)×
TF ,a − TF ,b
TC ,a − TC ,b
Per esempio: TC ,a = 110 ◦C, TC ,b = 90 ◦C, TF ,a = 12 ◦C, TF ,b =7 ◦C, T0 = 30 ◦C. Si ottiene ε = 2.58
I limiti termodinamiciLo schema di riferimento. Le prestazioni massime
La resafrigoriferaideale ε = qF
qCin funzionedella tempe-ratura TC
per quat-tro valoridi TF . Latemperaturaambiente T0
e fissata a 30◦C.
ε = qFqC
= TC−T0TC
× TFT0−TF
.
Le macchine utilizzabiliCiclo Rankine con ciclo frigorifero a compressione. Caso ideale.
Ciclo frigorifero a compres-sione trascinato da un cicloRankine, [2]
Le macchine utilizzabiliCiclo Rankine con ciclo frigorifero a compressione. Caso ideale, II.
Coefficiente di resafrigorifera per il si-stema ideale in fun-zione della comples-sita molecolare delfluido di lavoro, [2]
Le macchine utilizzabiliCiclo Rankine con ciclo frigorifero a compressione. Alta temperatura
Configurazione di ciclo edorganizzazione dei compo-nenti per un sistema com-posto da un motore a fluidoorganico e da una pompa dicalore (o ciclo frigorifero)a compressione, [3]. Casocon due fluidi di lavoro.
Le macchine utilizzabiliCiclo Rankine con ciclo frigorifero a compressione. Alta temperatura: esempio, [4]
La seguente Tabella si riferisce al caso di pompa di calore 1
1Con riferimento ad un sistema frigorifero le rese per le due configurazionirisultano: (a) 1.05, (b) 1.15.
Le macchine utilizzabiliCiclo frigorifero con eiettore. Calore a bassa temperatura
Configurazione di un ci-clo frigorifero realizzatomediante un eiettore, [2]
Le macchine utilizzabiliCiclo frigorifero con eiettore. Le prestazioni
Effetto della complessitamolecolare e della tempera-tura di condensazione sul-la efficienza frigorifera diun sistema con eiettore. Ivalori sono calcolati, [2].
Le macchine utilizzabiliCicli a gas
Ciclo Brayton frigoriferocombinato con un ciclo diturbina a gas con rigene-ratore. (a) Schema diimpianto; (b) Diagrammatemperatura–entropia, [5].Puo essere utilizzato un so-lo compressore per entram-be i cicli poiche essi ope-rano allo stesso rapporto dicompressione.
Le macchine utilizzabiliCiclo frigorifero ad assorbimento
Nelle macchine ad assorbimento la differenza di pressione(temperatura) fra l’evaporatore ed il condensatore non e ottenutamediante un compressore ma con un insieme di elementi chesfruttano le diverse proprieta di assorbimento e di de-assorbimentodi un fluido di lavoro (il fluido refrigerante) in un solvente liquido.Il fluido refrigerante e il fluido caratterizzato dalla minoretemperatura di ebollizione.Le miscele attualmente piu impiegate sono
1 ammoniaca come fluido di lavoro e l’acqua come solvente
2 acqua come fluido refrigerante e bromuro di litio comesolvente
Le macchine utilizzabiliCiclo frigorifero ad assorbimento
Schema concettuale difunzionamento di una macchinafrigorifera ad assorbimento, [6].
QR+QF + WP = QA + QCN
QC = QR
Q0 = QA + QCN
• la potenza termica QR vieneassorbita al rigeneratore ed ilrefrigerante (il soluto)evapora dalla soluzione
• la potenza termica QA vieneriversata nell’ambienteall’assorbitore, conseguenzadell’assorbimento delrefrigerante nella soluzione
• la pressione e maggiore nelrigeneratore chenell’assorbitore e serve unapompa per ricircolare lasoluzione dall’assorbitore alrigeneratore
Le macchine utilizzabiliCiclo frigorifero ad assorbimento
Schema di una macchina ad assorbimento ad NH3 + H2O, [7].
Le macchine utilizzabiliCiclo frigorifero ad assorbimento
Schema di unamacchina ad as-sorbimento adH2O + LiBr avapore, [8].
Le macchine utilizzabiliCicli frigoriferi ad assorbimento. Le prestazioni
Esempi di caratteristiche di macchine commercialmente disponibilia singolo effetto ad alimentazione indiretta, [1].
Potenza COP medio Temperatura acqua Soluzionefrigorifera (kW) refrigerata (◦C) refrigerante
35–105 0.7 5.5 a 12.5 H2O + LiBr104 0.74 7 a 12 H2O + LiBr
100–600 0.4 0 a -50 NH3 + H2O2000–4800 0.71 4 a 15 H2O + LiBr
Con un COP di 0.7 la potenza termica riversata nell’ambiente per
unita di potenza frigorifera utile e pari a 2.42 (= Q0
QF= 1
COP + 1).
Le macchine utilizzabiliLa sorgente di calore
I sistemi frigoriferi presentati che utilizzano energia termica per illoro funzionamento, ovvero quelli basati su
• la refrigerazione termo-meccanica
• le macchine ad assorbimento
impiegano calore da una qualunque fonte (purche ad unatemperatura compatibile con il loro corretto funzionamento)
• da combustione, per esempio, di gas naturale
• da olio diatermico
• da vapore
• da acqua calda o surriscaldata
• gas caldi
In particolare, il calore puo anche provenire dall’irraggiamentosolare.
L’energia solare disponibile
Energia termica so-lare disponibile alsuolo. I dati si rife-riscono alla citta diBrescia e sono rela-tivi ad una superfi-cie piana orizzontaleorientata a sud.
L’ energia disponibile varia molto nell’anno: a gennaio il valoremassimo medio di insolazione e circa 236 Wh/m2 per ora; a luglioe circa 793 Wh/m2 ora. Mediamente le ore di luce sono 9 agennaio; 15 in luglio.
Le peculiarita dell’uso della energia solare
• E’ molto importante che il dispositivo di cattura e diconversione dell’energia solare abbia un rendimento il piuelevato possibile.
• Fondamentali sono l’orientazione e la inclinazione deldispositivo di captazione.
• Puo essere utile ricorrere alla concentrazione, per ottenere altetemperature o una sensibile riduzione della superficie captante.
• Puo essere indispensabile prevedere un sistema di accumulo.
L’impiego della energia solare nella produzione di potenzafrigorifera (solar cooling), ad uso civile o industriale, mediantemacchine ad assorbimento permette lo sfruttamento di unimpianto solare termico proprio nel periodo estivo, quandol’insolazione e massima.
I collettori solariLe varie tipologie, [9]
I vari tipi di collettori solari disponibili sul mercato: stazionari,mobili su di un asse, mobili intorno a due assi di rotazione.Aumentando il rapporto di concentrazione aumenta la temperaturadi funzionamento.
I collettori solariI collettori piani
Diagrammi schematici di collettori piani non a concentrazione: (a)piano, (b) con tubi a vuoto, [10].
I collettori solari fissi a concentrazioneI Compound Parabolic Collectors (CPC)
Sezione trasversale delmodello CPC-T contre assorbitori (bifac-ciali). Schema geome-trico tipico e tracciadei raggi solari, [11].I collettori CPC so-no concentratori (rap-porto di concentrazio-ne 1–5) che rifletto-no i raggi incidentisulla superficie versouna zona relativamen-te ampia mediante ri-flessioni multiple.
I collettori solari mobili a concentrazioneEsempio: i Parabolic Trough
Schema di un colletto-re parabolico, [12].I raggi incidenti sul-la superficie sono con-centrati lungo la lineafocale. Le tempera-ture raggiungibili sonotali (sino a 400 ◦C) dapermettere, con buo-na efficienza, anche lagenerazione di energiaelettrica. Di solitosono mobili su di unasse.
I collettori solariEsempio, [13]
Gli assorbitori funzionanti ad energia solare termicaEsempio, [14]
Ennio Macchi, Stefano Campanari, Paolo Silva Lamicrogenerazione a gas naturale, Polipress–Politecnico diMilano, 2005
G. Angelino, C. Invernizzi Thermodynamic optimization ofejector actuated refrigerating cycles, International Journal ofRefrigeration, 31 (2008) 453-463
G. Angelino, P. Ferrari, G. Giglioli, E. Macchi Combinedthermal engine–heat pump systems for low–temperature heatgeneration, The Institution of Mechanical Engineers,Thermodynamic and Fluid Mechanics Group, Proceedings1976, Volume 190 27/76.
G. Angelino, P. Ferrari, M. Gaia, G. Giglioli, E. MacchiThe CNPM thermal heat pump. Part 1 — general descriptionand thermodynamic analysis, International Journal ofRefrigeration, Volume 3, Number 1, January 1980, pp.19-24.
C. Keller The use of the Closed–Cycle Helium Gas Turbine inAtomic Power Plants, in Closed Cycle Gas Turbines for all
Fuels: Coal, Oil, Gas, Nuclear, Escher Wyss, 8023Zurich/Switzerland.
J.M. Smith, H.C. Van Ness Introduction to ChemicalEngineering Thermodynamics, Third Edition, McGraw–HillKogakusha, Ltd, Tokyo, 1975.
Lucien Borel Thermodynamique et Energetique, Premiereedition, Presses Polytechniques Romandes, CH-1015,Lausanne, 1984.
Anonimo York Millennium – Gruppi refrigeratori adassorbimento monostadio mod. YIA, Form 155.16-EG1 (597)ICG
Soteris A. Kalogirou Solar thermal collectors andapplications, Progress in Energy and Combustion Science, 30(2004) 231–295.
D.S. Kim, C.A. Infante Ferreira Solar refrigeration options– a state-of-the-art review, International Journal ofRefrigeration, xxxx.
Carlo Rizzo Compound Parabolic Collector e ParabolicTrough Collector nelle applicazioni di refrigerazione solare adassorbimento, tesi di laurea, relatore ing. Mario Motta,Politecnico di Milano, anno accademico 2006–2007.
G. Brakmann, R. Aringhoff, S. Reske Solar Therml Power2020 – Exploiting the heat from the sun to combact climatechange, European Solar Thermal Power Industry (ESTIA) andGreenpeace International, ISBN: 90-73361-82-6.
Anonimo Collettore sottovuoto VK25, documentazionetecnica della Sonnenkraft, Vers. 2007/12.
Anonimo Systema Solare, documentazione tecnica dellaSystema S.p.A., S. Giustina in Colle, Padova.
Recommended