Bocca Letti Chiara 161

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    INTRODUZIONE 5 1. IL CICLO FRIGORIFERO 8 Il ciclo frigorifero a compressione 9 Cenni storici 10 Lo schema di funzionamento della macchina ideale 11 Lo schema di funzionamento delle macchine reali 13 I fluidi refrigeranti pi diffusi 15 Prestazioni tipiche delle macchine commerciali 16 Analisi critica della possibilit di miglioramento delle prestazioni - Prospettive di sviluppo 18 Il ciclo frigorifero ad assorbimento 23 Cenni storici 24 Lo schema di funzionamento della macchina ideale 26 Il ciclo di Carnot 26 Il ciclo di Lorenz 30 Il ciclo teorico di riferimento 33 Il diagramma logp,1/T 33 Lo schema di funzionamento delle macchine reali 41 Scambio termico interno incompleto (irreversibile) 41 Assorbimento incompleto 43 Evaporazione incompleta 47 Rettificazione incompleta 49 Scambio termico incompleto (irreversibile) con le sorgenti esterne 50 Cadute di pressione 52 Presenza di incondensabili 53 Rappresentazione del processo reale completo 54 Prestazioni tipiche delle macchine commerciali 56 Analisi critica della possibilit di miglioramento delle prestazioni - Prospettive di sviluppo 57 Comparazione dei due diversi princpi 63 2. ASPETTI TERMODINAMICI E DI SCAMBIO TERMICO E DI MASSA RILEVANTI NELLE MACCHINE AD ASSORBIMENTO 66 Premessa sulle fenomenologie di scambio termico 66 Aspetti termodinamici e trasformazioni di stato rilevanti nelle macchine ad assorbimento 67 L'assorbimento-diffusione 67 La rigenerazione-distillazione 70 Il processo di vaporizzazione per le miscele 70 La rettificazione 73 La deflemmazione 77 Alcune considerazioni critiche sulle possibilit teoriche di un miglioramento delle prestazioni 90 3. BILANCI ENERGETICI 92 Il bilancio energetico globale 93 Efficienza delle macchine ad assorbimento 93 Il bilancio energetico al generatore 94

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    Il bilancio energetico allassorbitore 94 Il bilancio energetico al condensatore 96 Il bilancio energetico allevaporatore 97 Il bilancio energetico allo scambiatore delle soluzioni 97 Il bilancio energetico al sottoraffreddatore 99 Come rappresentare sul diagramma i bilanci energetici 100 Alcuni accorgimenti per migliorare il rendimento 101 Sottrazione del calore di assorbimento ad opera della soluzione "ricca" 101 Inizio della vaporizzazione ad opera della soluzione "povera" 102 Riduzione del calore di rigenerazione mediante recupero interno 103 4. MISCELE UTILIZZATE NELLE MACCHINE FRIGORIFERE AD ASSORBIMENTO 104 Requisiti per le coppie di fluidi refrigerante/assorbente 104 Caratteristiche di coppie di fluidi refrigerante/assorbente di uso pi corrente 105 La miscela bromuro di litio-acqua 105 La miscela acqua-ammoniaca 108 Altre coppie refrigerante/assorbente di possibile impiego 110 Conclusioni 121 5. MACCHINE FRIGORIFERE AD ASSORBIMENTO AD ACQUA-AMMONIACA 122 I componenti delle macchine 122 Il generatore 122 Il rettificatore 123 L'assorbitore 123 Lo scambiatore delle soluzioni 124 L'evaporatore 125 Il condensatore 125 Il sottoraffreddatore 126 La pompa della soluzione 126 Valvole, diaframmi, filtri 127 Sistemi di regolazione e controllo 127 Resistenza e corrosione dei materiali 129 Resistenza meccanica 129 Resistenza alla corrosione 129 Richiami sugli aspetti suscettibili di innovazione 130

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    6. ATTIVITA SPERIMENTALE 134 Finalit e criteri d'impostazione dell'attivit sperimentale 134 Descrizione della macchina 135 La matrice di prova e i risultati dell'attivit sperimentale 136 7. LA SIMULAZIONE DEL CICLO TERMODINAMICO 149 Finalit e criteri d'impostazione dell'attivit di calcolo 149 Descrizione della macchina 151 Il ciclo termodinamico in condizioni nominali 151 Il programma di simulazione 152 Il calcolo parametrico sul modello semplificato: analisi dei risultati 154 Il calcolo in condizioni nominali sul modello complesso: analisi dei risultati e confronto con i dati sperimentali 158 Conclusioni 158 8. LA SIMULAZIONE DEGLI SCAMBIATORI DI CALORE 160 Il progetto degli scambiatori di calore 160 Il programma di simulazione 161 Input e output 162 L'applicazione ai componenti di una macchina ad assorbimento 163 Lo scambiatore delle soluzioni 163 L'assorbitore 164 L'evaporatore 164 Il condensatore 164 Il rettificatore 164 Il sottoraffreddatore 164 Esempio di calcolo 164 9. INDIVIDUAZIONE DI MODIFICHE ED INNOVAZIONI RISPETTO ALLE SOLUZIONI COSTRUTTIVE DELLA MACCHINA STUDIATA 166 Apparecchiature di scambio termico 166 L'assorbitore 168 Il condensatore e l'evaporatore 168 Lo scambiatore delle soluzioni ed il sottoraffreddatore 170 Il rettificatore 170 Il deflemmatore 171 Il generatore 171 La pompa della soluzione 172 Sistemi di regolazione e controllo 173 Introduzione 173 I controllori fuzzy 174 L'analisi statica e dinamica del sistema 175 Le problematiche di regolazione 176 CONCLUSIONI 177

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    BIBLIOGRAFIA 178 APPENDICE 1 - CORRELAZIONI DI SCAMBIO TERMICO 181 Convezione naturale 183 Convezione forzata 184 Lo scambio termico in monofase 185 Valutazione del coefficiente di scambio in convezione forzata allinterno e allesterno di un fascio tubiero 185 Valutazione del coefficiente di scambio esternamente a tubi alettati con alette circolari trasversali 188 Valutazione del coefficiente di scambio esternamente a tubi alettati con alette longitudinali 190 Correzione del coefficiente di scambio termico per la presenza delle alette 191 Il fattore correttivo della TLM 192 Lo scambio termico in cambiamento di fase 194 Evaporazione allesterno di un fascio tubiero 194 Condensazione allinterno dei tubi 195 Tubi verticali 195 Tubi orizzontali 196 APPENDICE 2 - VALUTAZIONE DELLE CADUTE DI PRESSIONE 198 Le cadute di pressione distribuite 198 Le cadute di pressione in monofase 198 Convezione forzata, interno ed esterno tubi 198 Tubi alettati esternamente con alette circolari trasversali 199 Le cadute di pressione in cambiamento di fase 200 Condensazione allinterno dei tubi 200 Le cadute di pressione negli scambiatori a piastre 202 Le cadute di pressione concentrate 204 Le cadute di pressione attraverso i diaframmi 204 Le cadute di pressione attraverso i filtri 208 Le cadute di pressione attraverso i piatti forati 211

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    Il lavoro svolto ha avuto come obbiettivo lacquisizione delle principali fenomenologie di scambio termico e termodinamiche che sono alla base del funzionamento delle macchine frigorifere, con particolare riferimento alle macchine ad assorbimento, con il fine di formulare proposte di interventi progettuali di modifica, adattamento e/o miglioramento di schemi di macchine attualmente utilizzate e pervenire al progetto di macchine con pi elevate prestazioni, minori consumi energetici specifici e maggiore affidabilit di funzionamento.

    In primo luogo stata svolta una ricerca bibliografica, indirizzata in particolare ai risultati di recenti convegni sulla climatizzazione degli ambienti, che ha permesso di individuare le problematiche tecnico-scientifiche ancora aperte.

    Le macchine ad assorbimento per scopi di refrigerazione o condizionamento dell'aria sono attualmente oggetto di rinnovata attenzione sotto il profilo scientifico ed industriale, dopo un periodo durante il quale l'attenzione stata rivolta soprattutto alle macchine a compressione, caratterizzate da un'efficienza energetica maggiore. Negli ultimi anni, infatti, si andata delineando, sia in Italia che in molti altri Paesi, una politica energetica di incentivo allo sfruttamento del calore di scarto disponibile a scopi cogenerativi. Nel caso del nostro Paese, si aggiunto un incentivo all'impiego del gas naturale come fonte energetica primaria. Entrambe le circostanze costituiscono uno stimolo all'utilizzo delle macchine frigorifere ad assorbimento. Per quanto riguarda il caso particolare delle macchine a fiamma diretta, impiegate per il condizionamento estivo, esse possono anche contribuire a ridurre lo squilibrio stagionale oggi esistente nei consumi di gas. Altro motivo che ha portato alla suddetta rinnovata attenzione la sempre maggiore sensibilit al problema ambientale: le macchine ad assorbimento possono funzionare con fluidi non pericolosi per l'ambiente, alcuni, in particolare, dotati di indice GWP (Greenhouse Warming Potential)1 addirittura nullo, e possono essere alimentate a metano, con emissioni inquinanti di livello contenuto rispetto ad altri combustibili, o addirittura con calore di scarto o con energia solare. Esse rispettan