Scuola di Ingegneria Tecnica del freddo G. Grazzini, A. Milazzo ________________________________________________________________________________________________________________________________________________ In un impianto frigorifero a semplice compressione di vapore vanno distinti quattro organi fondamentali collegati, tra loro, in modo da costituire un circuito chiuso − − − − il compressore il condensatore la valvola di laminazione l'evaporatore Qh Condensatore Tsho 1 Organo di laminazione Tshi 4 Ls Il fluido frigorigeno passando Compressore attraverso la valvola di laminazione, Tsci Tsco giunge, a bassa temperatura e 2 3 pressione, con un titolo Qc Evaporatore possibilmente basso, all'evaporatore dove, a spese del calore sottratto all'ambiente che si vuole raffreddare, subisce il cambiamento di fase ed un leggero surriscaldamento, al fine di evitare la compressione nella zona del vapor saturo umido, rischiosa per la maggior parte dei compressori. Viene da qui inviato nel compressore che lo riporta ad una pressione tale che la condensazione avvenga ad una temperatura superiore a quella del fluido di raffreddamento utilizzato al condensatore. Inevitabilmente, nel caso il compressore sia di tipo volumetrico, una certa quantità dell'olio di lubrificazione si disperde nel fluido frigorigeno e perviene, malgrado la presenza del separatore pag. 1 Scuola di Ingegneria Tecnica del freddo G. Grazzini, A. Milazzo ________________________________________________________________________________________________________________________________________________ d'olio, all'evaporatore; problema questo che finisce per influenzare la scelta del tipo d'impianto e le sue caratteristiche di funzionamento. Nel condensatore il vapore viene prima desurriscaldato, quindi condensato ed eventualmente sottoraffreddato, in modo da diminuire il titolo all'ingresso dell'evaporatore ed aumentare l'effetto frigorigeno, vale a dire l’energia sottratta per unità di portata del fluido, aumento che a volte coinvolge anche il coefficiente di effetto utile. Ritorna poi alla valvola di laminazione dove subisce un’espansione con conseguente diminuzione di temperatura e pressione. Nella realizzazione pratica di un impianto frigorifero, al ciclo suddetto sono associate varie cause di irreversibilità, sia interna che esterna, caratteristiche delle diverse trasformazioni, di seguito elencate. • Le trasformazioni, idealmente isobare, di evaporazione e condensazione, saranno, in realtà, soggette a perdite di carico e quindi la pressione e la temperatura, a fine trasformazione, saranno minori di quelle ideali. • Durante il surriscaldamento ed il sottoraffreddamento si hanno scambi termici con perdite di carico. • La trasformazione di compressione adiabatica, pur potendo essere considerata tale, è irreversibile con conseguente aumento di entropia. • Nella valvola di laminazione il processo è irreversibile e quindi, pur essendo praticamente adiabatico, comporta un aumento di entropia del fluido. • Gli scambi termici, nel condensatore e nell'evaporatore, avvengono con una differenza finita di temperatura. pag. 2 Scuola di Ingegneria Tecnica del freddo G. Grazzini, A. Milazzo ________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Tali cause di irreversibilità contribuiranno a ridurre, rispetto al valore massimo caratteristico di un ciclo di Rankine inverso, i valori del coefficiente di effetto utile e del rendimento di secondo principio. Un'analisi exergetica, applicata ai singoli componenti dell'impianto considerati come sistemi aperti dal punto di vista termodinamico, può permettere di quantificare le singole sorgenti di perdita. 4’ T 4 P 1 2’ 3 h 2 s pag. 3 Scuola di Ingegneria Tecnica del freddo G. Grazzini, A. Milazzo ________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Tipologie degli scambiatori La scelta della tipologia di evaporatore o condensatore da adottare è dettata dalla sostanza che si desidera raffreddare o riscaldare e dal tipo di impianto che si sta considerando. La variabilità degli schemi costruttivi è grande, tuttavia si possono evidenziare alcune tipologie principali. Raramente è però possibile applicare lo schema classico di principio dello scambiatore equicorrente o controcorrente; avendo a che fare con cambiamento di fase, la maggior parte sono a correnti incrociate in vario modo. Nel caso di refrigerazione di liquidi si usano in genere scambiatori a fascio tubiero od a piastre. In essi la velocità del fluido bifasico, liquido-vapore, deve essere sufficientemente elevata in modo da assicurare il moto dell'eventuale olio trasportato dal frigorigeno. A Gli evaporatori a fascio tubiero, possono avere disposizione dei tubi orizzontale o verticale. Quelli a fascio tubiero orizzontale si distinguono, quanto al sistema di alimentazione del refrigerante, in evaporatori 1 allagati ed in evaporatori ad espansione secca. B Negli evaporatori allagati, alimentati tramite un regolatore automatico di livello, il refrigerante bolle nel mantello mentre il liquido da raffreddare scorre all'interno dei tubi; viceversa, negli evaporatori ad espansione secca, con alimentazione regolata da una o più valvole termostatiche, il refrigerante vaporizza all'interno dei tubi e nel mantello circola il liquido da raffreddare. La scelta del sistema di alimentazione 2 pag. 4 Scuola di Ingegneria Tecnica del freddo G. Grazzini, A. Milazzo ________________________________________________________________________________________________________________________________________________ dipende, in sede pratica, dal diverso comportamento dei fluidi frigorigeni nel riguardo dell'olio lubrificante che con i compressori volumetrici finisce sempre per arrivare agli evaporatori. Se, in ragione della sua densità, il refrigerante allo stato liquido galleggia sull'olio si può adottare un evaporatore allagato in cui l’olio si raccoglie, sul fondo del mantello, in un apposito pozzetto e viene periodicamente restituito al compressore mediante una tubazione, collegata all'aspirazione del compressore stesso. Se invece l'olio tende a galleggiare sulla superficie del liquido refrigerante, si preferisce il sistema ad espansione secca con il quale si provvede al trasporto dell'olio fuori dall'evaporatore mantenendo sufficientemente elevata (circa 5-6 m/s) la velocità del vapore all'interno dei tubi. Per aumentare la velocità di circolazione del liquido da raffreddare si dispone trasversalmente al fascio dei tubi una serie di diaframmi che costringono il fluido ad un percorso tortuoso. Considerazioni simili vanno sviluppate anche per i condensatori, ove occorre valutare con particolare attenzione il peso della sezione di desurriscaldamento del vapore. pag. 5 Scuola di Ingegneria Tecnica del freddo G. Grazzini, A. Milazzo ________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Gli scambiatori a piastre sono ottenuti delimitando i canali di passaggio dei due fluidi attraverso una serie di piastre parallele. Opportuni disegni dei canali di raccordo permettono di ottenere molti canali rettangolari paralleli, occupati alternativamente dai due fluidi. Le piastre sono poi sagomate in modo da aumentare il coefficiente di scambio tra fluidi e pareti. Tale tipo di scambiatori risulta particolarmente compatto ed efficiente, pur presentando in genere elevate perdite di carico. Per ottenere strutture sufficientemente compatte, nel caso di raffreddamento d'aria, si utilizzano batterie di tubi usualmente alettati; all'esterno dei tubi circola l'aria mentre all'interno degli stessi il refrigerante. La circolazione dell'aria può avvenire naturalmente oppure essere forzata utilizzando ventilatori. Poiché il coefficiente di scambio termico lato aria è più basso di quello lato frigorigeno, è compito dell'alettatura compensare tale squilibrio aumentando la superficie a contatto del gas. I tubi hanno disposizioni diverse, spesso sono tra loro sfalsati, alternati cioè trasversalmente al senso di circolazione dell'aria, per evitare che un tubo faccia da schermo al successivo e creare, nel contempo, una maggiore turbolenza a tutto vantaggio del coefficiente globale di scambio termico. Particolari accorgimenti nel disegno delle alette permettono di aumentare il coefficiente di scambio; anche all’interno, dal lato del fluido frigorigeno, la lavorazione delle superfici dei tubi permette di realizzare microcanali che riducono la resistenza termica, pur pagando uno scotto in termini di perdite di carico. pag. 6
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