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La climatizzazione ad energia solare Paolo Colaiemma maya@maya-airconditioning.com

Recentemente stata messa sul mercato una nuova serie di macchine frigorifere ad assorbimento di piccola potenza, alimentate ad acqua calda, impieganti come fluido di lavoro una soluzione di acqua e bromuro di litio. Le nuove unit sono state concepite per lutilizzo di calore a bassa temperatura, con applicazioni tipiche in impianti di climatizzazione ambientale. La temperatura dellacqua calda richiesta dal ciclo ad assorbimento compresa tra 70 C e 95 C. Lacqua refrigerata prodotta ad una temperatura minima di 5,5 C, temperatura particolarmente idonea quindi ai processi di condizionamento dellaria. La dissipazione del calore dal circuito ottenuta con la circolazione di acqua negli scambiatori dellassorbitore e del condensatore. La serie delle nuove macchine comprende cinque unit di potenza frigorifera nominale rispettivamente di 17,6 kW, 35 kW, 70 kW, 105 kW e 176 kW. Essendo macchine modulari compatibili tra di loro possono essere installate in pi unit combinate per coprire diversi livelli di potenza. Il presente lavoro articolato sullanalisi dei vari aspetti tecnici di questa particolare serie di macchine.

Sono dapprima richiamati i principi del processo termodinamico, denominato ad assorbimento; indi elencati i dati peculiari delle macchine ed illustrate le loro caratteristiche di funzionamento; si forniscono poi utili suggerimenti sulla loro pi idonea utilizzazione in impianti solari; vengono infine riportate alcune considerazioni sullimpiego degli assorbitori per questa particolare applicazione. Principio di funzionamento dei gruppi ad assorbimento Il principio di funzionamento dei gruppi analizzati illustrato nella figura 1, in cui vengono schematizzati i componenti principali della macchina e le varie fasi del processo.

Generatore Lacqua di alimentazione riscalda, portandola allebollizione, la soluzione diluita di acqua e bromuro di litio contenuta nel generatore. Lebollizione libera vapore acqueo (refrigerante) e concentra la soluzione di bromuro di litio. Questa viene raccolta e pre-raffreddata, passando attraverso lo scambiatore di calore, prima di venire immessa nellassorbitore. Condensatore Il vapore refrigerante perviene al condensatore dove condensa sulla superficie delle serpentine del circuito di raffreddamento. Il calore di condensazione rimosso dallacqua di raffreddamento ed espulso, normalmente attraverso una torre evaporativa. Il liquido refrigerante, raccolto nel condensatore, passa quindi nellevaporatore attraverso unapposita apertura. Evaporatore La pressione esistente nellevaporatore assai pi bassa di quella del generatore e del condensatore per linfluenza esercitata dallassorbitore. Per questo motivo il liquido refrigerante, una volta entrato nellevaporatore, bolle ed assorbe calore evaporando sulla superficie della serpentina del circuito dellacqua da refrigerare. Il vapore refrigerante ottenuto fluisce quindi nellassorbitore.

Allinterno del generatorela soluzione diluita diLiBr al 52% portataallebollizione. Il vapordacqua prodotto fluisce alcondensatore ed ilseparatore convoglia larestante soluzioneconcentrata al 56%allassorbitore, attraversolo scambiatore di calore. Il processo endotermico(79-88 C)

Il vapore prodotto vieneassorbito dalla soluzioneconcentrata di LiBr, conprocesso esotermico (29-35 C)

Lacqua depressurizzataevapora a contatto con le serpentine dellacqua da refrigerare. Ci crea leffetto frigorifero (5-7 C)

Il vapore caldo viene raffreddato e condensato (29-35 C)

Vapore

Vapore

Acqua di raffreddamento

Acqua refrigerata

8 kPa 0.7 kPa

Condensatore Acqua calda

Acqua

Assorbitore Evaporatore

Generatore

Separatore

52% LiBr

Orifizio

56% LiBr

Scambiatore di calore

Acqua di raffr.

Pompa di soluzione

Figura 1 - Ciclo frigorifero ad assorbimento e bilancio termico

WFC SC 30 Bilancio terrmico

Calore kW kW

Generatore in 150,6 Condensatore out 122,2 Evaporatore in 105,0 Assorbitore out 133,4

255,6 255,6

Assorbitore La bassa pressione nellassorbitore dovuta allaffinit chimica fra la soluzione concentrata di bromuro di litio proveniente dal generatore ed il vapore acqueo che si forma nellevaporatore. Il vapore refrigerante viene assorbito dalla soluzione concentrata di bromuro di litio, mentre questultima lambisce la superficie della serpentina dellassorbitore. Il calore di condensazione e di diluizione rimosso dallacqua di raffreddamento. La soluzione diluita di bromuro di litio poi pre-riscaldata nello scambiatore di calore prima di ritornare nel generatore. Bilancio termico Allo scopo di quantificare le varie potenze in gioco, nel riquadro di figura 1) vengono riportati i valori caratteristici del bilancio termico del ciclo riferiti al modello da 105 kW frigoriferi nominali. E opportuno tener presente che la quantit di calore da smaltire in ambiente esterno risulter, ovviamente, la somma di quella di alimentazione, pari a 150,6 kW, pi quella assorbita dallambiente da refrigerare pari a 105 kW, in totale quindi 255,6 kW. Il rapporto tra la potenza dissipata e quella frigorifera prodotta pari a 2,43. Ci significa che per ogni kW frigorifero prodotto si dovranno smaltire nellambiente 2,43 kW termici. Il rapporto tra la potenza frigorifera erogata dalla macchina, pari a 105 kW, e quella termica fornita alla stessa, pari a 150,6 kW, quantifica le sue prestazioni. Il valore di efficienza del gruppo, denominato COP (Coefficient Of Performance) , nel caso in esame, pari a 0,7. In altri termini per produrre 1 kW frigorifero saranno necessari 1,43 kW termici. Specifiche tecniche

Nella tabella 1 vengono riportate le specifiche tecniche degli assorbitori presi in esame. Le potenze frigorifere nominali per le cinque unit proposte sono rispettivamente di 17,6 kW, 35 kW, 70 kW, 105 kW e 176 kW. Lacqua refrigerata prodotta a 7 C e con ritorno alla macchina a 12,5 C. possibile variare la temperatura di erogazione tra un minimo di 5,5 C ed un massimo di 15,5 C, fermo restando il valore di salto termico fra la temperatura di mandata e quella di ritorno di 5,5 C. La potenza da dissipare rispettivamente di 42,7 kW, 85,4 kW, 171 kW, 256 kW e 428 kW con temperature dellacqua di raffreddamento in uscita di 35 C e di ingresso alla macchina di 31 C. La potenza assorbita nellordine pari a 25,1 kW, 50,2 kW, 100,4 kW, 150,6 kW e 252 kW con temperature di lavoro di 88C in entrata e di 83C in uscita. Lintervallo delle temperature dellacqua di alimentazione utilizzabile compreso tra i 70 C ed i 95C. Le prestazioni delle macchine risulteranno ovviamente influenzate dal livello di temperatura utilizzato, come appare evidente dallanalisi delle curve di funzionamento appresso riportate. Da notare la ridottissima potenza elettrica assorbita per lazionamento delle unit rispettivamente pari a 48 W, 210 W, 260 W, 310 W e 590 W. Questi valori, ovviamente, non tengono conto della potenza elettrica richiesta per il funzionamento delle apparecchiature di circolazione dei fluidi di lavoro (acqua di alimentazione ed acqua refrigerata) e per lo smaltimento del calore (acqua di raffreddamento). Curve caratteristiche di prestazione

Le prestazioni di ogni singola macchina vengono evidenziate dalle relative curve caratteristiche. Nella figura 2) sono illustrate quelle dellunit WFC-SC 30. Per le stesse varranno le seguenti considerazioni, valide peraltro per tutta la gamma delle apparecchiature. Tenendo fissa la temperatura dellacqua refrigerata prodotta, pari a 7 C, la potenza frigorifera erogata fortemente influenzata dalle temperature dellacqua di raffreddamento o meglio di dissipazione e dalla temperatura dellacqua di alimentazione.

Tabella 1 - Specifiche tecniche degli assorbitori considerati

Modello WFC SC 5 WFC SC 10

WFC SC 20

WFC SC 30

WFC SC 50

Potenza frigorifera kW 17,6 35,2 70,3 105,6 175,8 A

cqua

refri

gera

ta

Temperatura Ingresso C 12,5 Uscita C 7

Perdite di carico kPa 52,6 56,1 65,8 70,1 40,2 Pressione massima di lavoro kPa 588

Portata nominale l/s 0,77 1,53 3,06 4,58 7,64 Volume serpentine l 8 17 47 73 120

Acq

ua ra

ffred

dam

ento

Potenza dissipata kW 42,7 85,4 170,8 256,2 427

Temperatura Ingresso C 31 Uscita C 35 Perdita di carico kPa 38,3 85,3 45,3 46,4 41,2 Fattore sporcamento M2hrK/kW 0,086

Pressione massima di lavoro kPa 588

Portata nominale l/s 2,55 5,1 10,2 15,3 25,5 Volume serpentine l 37 66 125 194 335

Acq

ua c

alda

Potenza assorbita kW 25,1 50,2 100,4 150,6 251

Temperatura Ingresso C 88 Uscita C 83 Range C Minimo 70 Massimo 95

Perdita di carico kPa 95,8 90,4 46,4 60,4 85,2 Pressione massima di lavoro kPa 588

Portata nominale l/s 1,2 2,4 4,8 7,2 12 Volume serpentine l 10 21 54 84 170

Alimentazione elettrica

Alimentazione elettrica 220V 1 fase 50Hz

400V 3 fasi 50Hz

Potenza assorbita W 48 210 260 310 590 Intensit di corrente A 0,22 0,43 0,92 1,25 2,6

Controllo Refrigerazione ON - OFF Dimensioni

Larghezza mm 594 760 1.060 1.380 1.785 Profondit mm 744 970 1.300 1.545 2.060 Altezza (compresa piastra di fissaggio / vite di livel.) mm 1786 1.983 2.116 2.130 2.223

Peso A vuoto kg 365 500 930 1.450 2.100 In esercizio kg 420 604 1.156 1.801 2.725 Rumorosit Livello sonoro dB(A)