La refrigerazione a biomassa - maya

La refrigerazione a biomassa
Paolo Colaiemma
[email protected]
Recentemente è 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 unità sono state concepite
per l’utilizzo di calore a bassa
temperatura, con applicazioni tipiche
in
impianti
di
climatizzazione
ambientale e di processo industriale.
La temperatura dell’acqua calda
richiesta dal ciclo ad assorbimento è
compresa tra 70 °C e 95 °C. L’acqua
refrigerata è prodotta a temperatura
minima di 5,5 °C. La dissipazione del
calore dal circuito è ottenuta con la
circolazione di acqua negli scambiatori
dell’assorbitore e del condensatore. La
serie delle nuove macchine comprende
cinque unità 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 più unità combinate per
coprire diversi livelli di potenza.
Il presente lavoro è articolato
sull’analisi 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 più idonea utilizzazione in impianti a biomassa, che
impiegano caldaie a legna, a cippato e a pellet; vengono infine riportate alcune considerazioni
sull’uso appropriato degli assorbitori in questa particolare applicazione.
Varrà rammentare che il cippato è un combustibile locale costituito da legno sotto forma di rami,
cime e scarti di segheria ridotti in piccoli pezzi. A seconda del legno utilizzato si ottengono diverse
classi di qualità.
I pellet sono costituiti da legno allo stato naturale. La segatura e i trucioli di piallatura ottenuti in
grandi quantità, come sottoprodotto dell’industria di lavorazione del legno, vengono compressi e
pellettizzati senza trattamento. Grazie all’elevata densità energetica e alle semplici possibilità di
fornitura e deposito, i pellet si rilevano combustibili idonei per impianti completamente automatici.
Il rifornimento dei pellet avviene mediante autocisterne che riempiono direttamente i depositi.
Principio di funzionamento dei gruppi ad assorbimento
Il principio di funzionamento dei gruppi analizzati è illustrato nella figura 1, in cui vengono
schematizzati i componenti principali della macchina e le varie fasi del processo.
Generatore
L’acqua di alimentazione riscalda, portandola all’ebollizione, la soluzione diluita di acqua e
bromuro di litio contenuta nel generatore. L’ebollizione 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 nell’assorbitore.
Condensatore
Il vapore refrigerante perviene al condensatore dove condensa sulla superficie delle serpentine del
circuito di raffreddamento.
Il calore di condensazione è rimosso dall’acqua di raffreddamento ed espulso, normalmente
attraverso una torre evaporativa. Il liquido refrigerante, raccolto nel condensatore, passa quindi
nell’evaporatore attraverso un’apposita apertura.
WFC SC 30 Bilancio terrmico
Calore
Vapore
Generatore
Condensatore
Evaporatore
Assorbitore
Separatore
56% LiBr
kW
in
out
in
out
150,6
122,2
105,0
133,4
255,6
Acqua
di raffreddamento
Acqua
calda
Condensatore
Acqua
Il vapore caldo viene raffreddato
e condensato (29-35 °C)
Generatore
All’interno del generatore
la soluzione diluita di
LiBr al 52% è portata
all’ebollizione. Il vapor
d’acqua prodotto fluisce al
condensatore
ed
il
separatore convoglia la
restante
soluzione
concentrata
al
56%
all’assorbitore, attraverso
lo scambiatore di calore.
Il processo è endotermico
(79-88 °C)
Scambiatore
di calore
Vapore
8 kPa
0.7 kPa
Pompa di
soluzione
Assorbitore
Il vapore prodotto viene
assorbito dalla soluzione
concentrata di LiBr, con
processo esotermico
(29-35 °C)
Figura 1 - Ciclo frigorifero ad assorbimento e bilancio termico
Orifizio
Acqua
refrigerata
Acqua
di raffr.
52% LiBr
kW
Evaporatore
L’acqua
depressurizzata
evapora a contatto con le
serpentine dell’acqua da
refrigerare. Ciò crea l’effetto
frigorifero (5-7 °C)
255,6
Evaporatore
La pressione esistente nell’evaporatore è assai più bassa di quella del generatore e del condensatore
per l’influenza esercitata dall’assorbitore. Per questo motivo il liquido refrigerante, una volta entrato
nell’evaporatore, bolle ed assorbe calore evaporando sulla superficie della serpentina del circuito
dell’acqua da refrigerare.
Il vapore refrigerante ottenuto fluisce quindi nell’assorbitore.
Assorbitore
La bassa pressione nell’assorbitore è dovuta all’affinità chimica fra la soluzione concentrata di
bromuro di litio proveniente dal generatore ed il vapore acqueo che si forma nell’evaporatore. Il
vapore refrigerante viene assorbito dalla soluzione concentrata di bromuro di litio, mentre
quest’ultima lambisce la superficie della serpentina dell’assorbitore.
Il calore di condensazione e di diluizione è rimosso dall’acqua di raffreddamento. La soluzione
diluita di bromuro di litio è 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 quantità di calore da smaltire in ambiente esterno risulterà,
ovviamente, la somma di quella di alimentazione, pari a 150,6 kW, più quella assorbita
dall’ambiente da refrigerare pari a 105 kW, in totale quindi 255,6 kW.
Il rapporto tra la potenza dissipata e quella frigorifera prodotta è pari a 2,43. Ciò significa che per
ogni kW frigorifero prodotto si dovranno smaltire nell’ambiente 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) è, 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 unità proposte sono rispettivamente di 17,6 kW, 35
kW, 70 kW, 105 kW e 176 kW.
L’acqua refrigerata è prodotta a 7 °C, con ritorno alla macchina a 12,5 °C. È 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 è rispettivamente di 42,7 kW, 85,4 kW, 171 kW, 256 kW e 428 kW con
temperature dell’acqua di raffreddamento in uscita di 35 °C e di ingresso alla macchina di 31 °C.
La potenza assorbita è nell’ordine pari a 25,1 kW, 50,2 kW, 100,4 kW, 150,6 kW e 252 kW con
temperature di lavoro di 88°C in entrata e di 83 °C in uscita.
L’intervallo delle temperature dell’acqua di alimentazione utilizzabile è compreso tra i 70 °C ed i
95 °C. Le prestazioni delle macchine risulteranno ovviamente influenzate dal livello di temperatura
utilizzato, come appare evidente dall’analisi delle curve di funzionamento appresso riportate.
Da notare la ridottissima potenza elettrica assorbita per l’azionamento delle unità 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).
WFC
SC 5
WFC
SC 10
WFC
SC 20
WFC
SC 30
WFC
SC 50
kW
17,6
35,2
175,8
52,6
56,1
70,3
12,5
7
65,8
105,6
°C
°C
kPa
70,1
40,2
4,58
73
256
7,64
120
427
46,4
41,2
Modello
Acqua calda
Acqua raffreddamento
Acqua refrigerata
Potenza frigorifera
Alimentazione
elettrica
Controllo
Dimensioni
Peso
Rumorosità
Temperatura
Ingresso
Uscita
Perdite di carico
Pressione massima di
lavoro
Portata nominale
Volume serpentine
Potenza dissipata
Ingresso
Temperatura
Uscita
Perdita di carico
Fattore sporcamento
M2hr°K/kW
Pressione massima di
lavoro
Portata nominale
Volume serpentine
Potenza assorbita
Ingresso
Temperatura
Uscita
Range
Perdita di carico
Pressione massima di
lavoro
Portata nominale
Volume serpentine
l/s
l
kW
°C
°C
kPa
0,77
8
42,7
1,53
17
85,5
38,3
85,3
kPa
l/s
l
kW
°C
°C
°C
kPa
3,06
47
171
31
35
45,3
588
2,55
37
25,1
95,8
5,1
66
50,2
10,2
15,3
125
194
100,4
150,6
88
83
Minimo 70 – Massimo 95
90,4
46,4
60,4
kPa
l/s
l
Potenza assorbita
W
Intensità di corrente
A
Refrigerazione
Larghezza
mm
Profondità
mm
Altezza (compresa piastra
mm
di fissaggio / vite di livel.)
A vuoto
kg
In esercizio
kg
Livello sonoro dB(A) a 1 metro
Circuito acqua di
raffreddamento
Circuito acqua calda
588
0,086
Alimentazione elettrica
Circuito acqua refrigerata
Diametro
tubazioni (A)
kPa
25,5
335
251
85,2
588
1,2
10
220V
1 fase
50Hz
48
0,22
2,4
21
210
0,43
594
744
4,8
54
7,2
84
12
170
400V 3 fasi 50Hz
310
1,25
590
2,6
760
970
260
0,92
ON - OFF
1.060
1.300
1.380
1.545
1.785
2.060
1786
1.983
2.116
2.130
2.223
365
420
46
500
604
46
930
1.156
49
1.450
1.801
46
2.100
2.725
57
mm
32
40
50
50
80
mm
40
50
50
65
80
mm
Armadio
Tabella 1 - Specifiche tecniche degli assorbitori considerati
40
40
50
65
80
Impermeabile idoneo ad installazione all’aperto,
dotato di pannellature di acciaio zincato verniciato
color alluminio.
160
Temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
Potenza frigorifera erogata kW
140
120
2 7 °C
2 9 . 5 °C
100
3 1°C
80
3 2 °C
Standard point
Uscita acqua refrigerata 7°C
60
40
20
0
65
70
75
80
85
90
95
100
Temperatura di alimentazione acqua calda °C
250
Potenza termica assorbita kW
Temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
200
2 7 °C
2 9 . 5 °C
150
3 1°C
3 2 °C
100
Standard point
Uscita acqua refrigerata
7°C
50
0
65
70
75
80
85
90
95
100
Temperatura di alimentazione acqua calda °C
Fattore di penalizzazione della potenza erogata
1,1
1
0,9
Standard point.
Uscita acqua refrigerata
7°C
0,8
0,7
0,6
0
20
40
60
80
100
120
Variazione portata acqua calda %
Figura 2 - Curve caratteristiche di prestazione dell’ assorbitore di potenza frigorifera nominale pari a 105 kW
Curve caratteristiche di prestazione
Le prestazioni di ogni singola macchina vengono evidenziate dalle relative curve caratteristiche.
Nella figura 2 sono illustrate quelle dell’unità WFC-SC 30. Per le stesse varranno le seguenti
considerazioni, valide peraltro per tutta la gamma delle apparecchiature.
Tenendo fissa la temperatura dell’acqua refrigerata prodotta, pari a 7 °C, la potenza frigorifera
erogata è fortemente influenzata dalle temperature dell’acqua di raffreddamento o meglio di
dissipazione e dalla temperatura dell’acqua di alimentazione. Si otterranno valori di potenza più
elevati, infatti, diminuendo la temperatura dell’acqua di raffreddamento oppure aumentando quella
di alimentazione. La temperatura dell’acqua di raffreddamento, che comunque non può scendere
sotto il valore di 24 °C per evitare fenomeni di cristallizzazione della soluzione di lavoro, è dettata,
nel caso di utilizzo di torri evaporative, dalla temperatura a bulbo umido dell’aria esterna,
caratteristica della località d’installazione.
La temperatura dell’acqua di alimentazione non può eccedere, sulle unità considerate, i 95 °C, per
motivi di sicurezza operativa, risultando la temperatura limite di progetto della macchina pari a 100
°C. Essa, peraltro, può scendere a valori molto bassi, scontando per contro forti flessioni di potenza.
Da ultimo è stato illustrato sempre nella figura 2) l’andamento del fattore di penalizzazione della
potenza frigorifera per riduzione della portata dell’acqua di alimentazione, fermi restando i
rimanenti parametri caratteristici di funzionamento.
I valori ottenibili dai grafici illustrati nella figura 2) possono essere utilizzati per ipotizzare
differenti condizioni di funzionamento della macchina, anche se i risultati ottenibili debbono essere
considerati solamente indicativi.
Per quanto riguarda le curve caratteristiche di prestazione delle altre unità della serie si rimanda al
sito www.maya-airconditioning.com
Schemi di impianto
Gli schemi concettuali di impianto illustrati nelle figure 3 e 4 prevedono l’utilizzo di una caldaia a
biomassa e di un assorbitore alimentato ad acqua calda.
La configurazione di figura 3 schematizza un sistema di distribuzione a 4 tubi atto a soddisfare
carichi di riscaldamento e di refrigerazione.
Il circolatore CP1 può essere omesso e la pompa P1 può assolvere le necessità di distribuzione
dell’acqua refrigerata, se opportunamente dimensionata.
Il circolatore CP2 può essere duplicato allo scopo di provvedere, ad esempio, alla distribuzione di
acqua calda sia per il riscaldamento ambientale sia, attraverso opportuno scambiatore, per le
necessità sanitarie.
Il sistema a 4 tubi ipotizzato può soddisfare una regolazione a zone ed un controllo dell’umidità
relativa dell’aria.
Lo stesso offre sostanziali vantaggi rispetto al sistema a 2 tubi, appresso illustrato, anche se risulta
più costoso. Lo schema prevede una caldaia con un bruciatore modulante atta a soddisfare tutto il
carico di riscaldamento e di raffrescamento.
Le necessità di riscaldamento e di raffrescamento possono essere soddisfatte simultaneamente
secondo le condizioni di esercizio a zone prescritte.
Nello schema è prevista una torre evaporativa chiusa. Poiché la qualità dell’acqua ed il suo
trattamento richiedono pur sempre una particolare attenzione, le torri chiuse offrono una soluzione
idonea alla salvaguardia dell’assorbitore.
Assorbitore
Figura 3 - Schema di impianto a 4 tubi con condensazione operata mediante torre evaporativa
La figura 4 illustra uno schema di impianto a biomassa, che si differenzia dal precedente
essenzialmente per due motivi. Il primo è costituito dal sistema di distribuzione, che in questo caso
è a 2 tubi. Il secondo invece è dato dal sistema di smaltimento del calore operato mediante
l’impiego di acqua a perdere.
La distribuzione a 2 tubi è atta a soddisfare sia i carichi di riscaldamento, sia quelli di
refrigerazione, ma non simultaneamente. Qualora si debba operare in modalità riscaldamento la
pompa P1 verrà disattivata e la valvola MV1 devierà il flusso d’acqua all’utenza, escludendo
l’assorbitore, tramite l’azionamento della pompa P3. Contestualmente sul ritorno la valvola MV2
convoglierà il flusso d’acqua al collettore.
In modalità raffrescamento la pompa P3 provvederà all’alimentazione dell’assorbitore, la pompa P1
al carico di utenza e la pompa P2 allo smaltimento del calore.
Per quanto riguarda il raffreddamento con acqua a perdere, anche nel caso di acqua prelevata da
roggia o da fiume, la cui disponibilità in linea teorica, risulta essere illimitata, sussistono problemi
di approvvigionamento e di inquinamento termico, come di seguito precisato. E’ comunque
indispensabile tener presente che gli assorbitori in esame, come già precedentemente segnalato,
impongono temperature di condensazione comprese tra i 24 °C ed i 31 °C. Per contro, la
temperatura di prelievo dell’acqua a perdere è normalmente compresa tra i 12 °C ed i 18 °C. Si
dovrà, quindi, miscelare parte dell’acqua ambiente, a temperatura inferiore, mediamente a 15 °C,
con acqua ricircolata dallo scambiatore a temperatura superiore, mediamente a 32 °C, mediante
azionamento della valvola MV3 di figura.
Assorbitore
Figura 4 - Schema di impianto a 2 tubi con condensazione operata mediante acqua a perdere
Figura
Il sistema di regolazione
Di seguito, con riferimento agli schemi di figura 3 e 4, viene illustrato il sistema di controllo del
funzionamento delle macchine.
Nella tabella delle specifiche tecniche sono riportate le funzioni di regolazione ON-OFF. Nella
modalità ON un termostato (WT1) posizionato sulla mandata dell’acqua refrigerata comanda, in
funzione della temperatura di questa, la pompa dell’acqua calda di alimentazione P3.
Le temperature standard di regolazione sono le seguenti:
- avvio della pompa dell’acqua calda alla temperatura dell’acqua refrigerata in uscita dalla
macchina di 10,5 °C;
- arresto della stessa pompa alla temperatura dell’acqua refrigerata in uscita di 6,5 °C.
Le temperature sopra indicate (set point) possono essere modificate, senza peraltro alcuna
possibilità di cambiamento del differenziale di temperatura delle stesse.
Questa caratteristica permette di impostare sulle unità una regolazione a step control fissando
differentemente in cascata i set point delle singole macchine in installazioni di più unità combinate;
l’utilizzo dei gruppi può così essere modulato in funzione delle variazioni del carico.
Per la refrigerazione la macchina richiede l’operatività della pompa P1 dell’acqua refrigerata, della
pompa P2 dell’acqua di raffreddamento e della pompa P3 dell’acqua calda di alimentazione. Nel
normale funzionamento la pompa P3 dell’acqua calda di alimentazione e la pompa P2 dell’acqua di
raffreddamento operano comandate dal termostato (WT1), posizionato sull’uscita dell’acqua
refrigerata. Di conseguenza se la temperatura dell’acqua refrigerata si abbassa sino a valori di 6,5°C
o meno, le pompe P2 e P3 si arrestano.
La pompa P1 dell’acqua refrigerata, viceversa, rimane operativa e di conseguenza provvede alla
domanda variabile del sistema. Se la temperatura dell’acqua refrigerata mossa dalla pompa P1 sale
a 10,5 °C le pompe P2, P3 si riavviano immediatamente.
Figura 5 - Azienda agricola Cescon Giuseppe e Antonella SS, Chiarano (TV).
Assorbitore da 70 kW in impianto alimentato con cippato ricavato da tralci di vite. L’acqua
refrigerata prodotta viene utilizzata sia per il termocondizionamento delle vasche vino, sia per la
climatizzazione ambientale
L’operatività della macchina verrà così pienamente ristabilita. Può quindi affermarsi che l’unità in
realtà non è mai stata messa fuori servizio dal termostato (WT1): essa è stata semplicemente esclusa
dall’alimentazione, assecondando il carico di refrigerazione richiesto dal sistema.
Con la macchina fuori servizio OFF, con segnalazione STOP sul pannello di controllo della CPU,
anche la pompa P1 cessa di operare. Tale stato consiste ovviamente nella completa inattività di
funzionamento dell’unità.
Lo smaltimento del calore
Come sopra accennato, per la corretta funzionalità della macchina, è necessario smaltire in
ambiente esterno una quantità di calore somma di quello di alimentazione della macchina stessa, più
quello assorbito nella refrigerazione.
Nel caso dell’unità in esame WFC-SC 30 la potenza da dissipare risulterà pari a 256,6 kW somma
di quella di alimentazione pari a 150,6 kW e di quella assorbita nella refrigerazione pari a 105 kW.
Un sistema comunemente utilizzato per rigettare calore in atmosfera è quello di predisporre ampie
superfici di scambio termico con l’aria ambiente, in modo che questa, sempre che si trovi ad una
temperatura inferiore, lo possa sottrarre alla macchina. Detto sistema di raffreddamento è detto ad
aria od anche a secco.
Quando l’aria ambiente non è sufficientemente fredda, oppure per diminuire le superfici di scambio,
il calore può essere smaltito anche utilizzando acqua, prelevandola relativamente fredda
dall’ambiente esterno (roggia, pozzo, fiume e così via) e restituendola poi più calda allo stesso
ambiente esterno. Il raffreddamento ad acqua è più efficiente di quello ad aria, sia perché l’acqua è
usualmente a temperatura inferiore di quella dell’aria, sia perché il suo coefficiente di scambio
termico è più elevato. Per contro l’acqua risulta meno conveniente per i suoi alti costi ed il suo
impiego è sempre meno consentito dalle amministrazioni locali per le implicazioni ambientali
connesse all’inquinamento termico delle acque pubbliche.
Torri Evaporative
Per il rigetto del calore generato negli assorbitori, che utilizzano quale fluido di lavoro una miscela
di acqua e bromuro di litio, sono normalmente impiegate torri evaporative. La loro adozione è
dovuta principalmente al basso livello delle temperature di smaltimento imposto dall’assorbitore
(31-35 °C).
Il funzionamento delle torri evaporative è basato sull’utilizzazione del calore latente di
evaporazione dell’acqua. Mettendo a contatto nella torre una portata d’acqua, finemente suddivisa,
con una corrente d’aria, una piccola quantità di acqua viene assorbita per evaporazione dalla
corrente d’aria, sottraendo il suo calore latente di evaporazione all’acqua restante.
L’acqua uscente dalla torre sarà appena un po’ meno in quantità, ma sensibilmente più fredda di
quella inizialmente entrante, ed il calore sottratto, come calore latente di evaporazione, risulterà
disperso nell’ambiente, sotto forma di vapore acqueo contenuto nella corrente d’aria uscente, la cui
umidità sarà, pertanto, aumentata rispetto all’aria entrante, normalmente sino alla saturazione.
Il calore sottratto all’acqua non dipende dalla temperatura a bulbo secco dell’aria entrante, ma
solamente da quella a bulbo umido. Ciò risulta importante in quanto, per umidità relativa inferiore
al 100%, la temperatura a bulbo umido è inferiore a quella a bulbo secco (ad esempio con bulbo
secco di 32 °C ed umidità relativa pari al 52%, il bulbo umido è solo a 24 °C) e nei processi di
raffreddamento ci si può avvicinare a temperature sensibilmente inferiori rispetto a quelle ottenibili
utilizzando sistemi a secco.
La caratteristica peculiare delle torri evaporative è che il raffreddamento è ottenuto a spese di un
modesto consumo d’acqua (qualche % della portata in circolo), ma con un consumo di energia
ridotto rispetto ad un equivalente raffreddamento ad aria.
Il consumo d’acqua in una torre evaporativa è dato dalla somma di quello per evaporazione, di
quello per trascinamento delle gocce d’acqua nell’aria uscente (di solito nell’ordine dello 0,002%
della portata d’acqua circolante) e di quello di spurgo, variabile in funzione della qualità dell’acqua
utilizzata, con valori compresi fra il 30 ed il 100% del consumo d’acqua per evaporazione.
Per quanto riguarda lo spurgo va precisato quanto segue. La continua evaporazione dell’acqua
provoca un progressivo aumento, nell’acqua rimasta, della concentrazione di sali ed altre impurità,
anche di quelle assorbite dall’aria ambiente. Se non controllata, la concentrazione nell’acqua di
ricircolo di sali ed altri solidi disciolti aumenta molto rapidamente provocando incrostazioni
depositi e corrosioni, che pregiudicano il corretto funzionamento e la durata delle apparecchiature
utilizzate. Per limitare l’aumento di dette concentrazioni occorre effettuare uno spurgo, vale a dire
uno spillamento continuo realizzato a mezzo di una saracinesca posta possibilmente sulla tubazione
di entrata dell’acqua nella torre.
Nella tabella 2) sono riportate le specifiche tecniche delle torri evaporative da utilizzare in
accoppiamento agli assorbitori considerati nel presente lavoro.
Allo scopo di fornire un’idea dei valori in gioco, varrà segnalare che per l’assorbitore WFC-SC 30,
preso in esame, i valori massimi relativi ai consumi d’acqua risultano i seguenti: per evaporazione:
402 l/h; per trascinamento: 1,1 l/h; per spillamento: 402 l/h (valore massimo); per un totale
massimo quindi di 805 l/h.
Sistema di acqua a perdere
Come sopra accennato, soprattutto se le potenze in gioco sono limitate, può essere presa in
considerazione per lo smaltimento del calore anche acqua a perdere. Nel caso quindi di cospicue
disponibilità di acqua ambiente, prelevata ad esempio da roggia, da pozzo, da lago, da fiume,
eccetera, con l’interposizione di uno scambiatore per ragioni di sicurezza operativa, può essere
adottato uno schema quale quello illustrato nella figura 4.
Lo scambiatore lavorerà in controcorrente con temperature atte all’ottenimento di quella dettata
dalla condensazione, nel nostro caso 31°C (valore di targa), e la quantità d’acqua ambiente richiesta
sarà facilmente calcolabile con la formula 1) riportata di seguito.
Nel caso di utilizzo dell’assorbitore WFC-SC 30, supponendo ad esempio che la temperatura
dell’acqua disponibile sia di 15 °C, nota la quantità di calore da smaltire pari a 256,6 kW, risultando
il salto termico dell’acqua utilizzata di 16 °C (31 °C-15 °C), si otterrà un impiego d’acqua pari a
13.789 l/h.
Dal confronto dei valori sopra riportati appare evidente la notevolissima differenza degli utilizzi di
acqua fra la soluzione con acqua a perdere 13,789 l/h e quella con torre evaporativa 805 l/h.
Modello
Potenza resa
kW
Temperatura
Acqua
Alimentazione
Peso
Rumorosità
Diametro
tubazioni
ICT 4-66
ICT 4-59
171
256
428
°C
35
°C
31
Portata nominale
l/s
2,55
5,12
10,2
15,3
25,5
Perdita di carico
kPa
4
2,1
17,9
17,9
22,1
Bulbo umido
Acqua evaporata max
°C
l/m
26
1,11
26
2,12
26
4,5
26
6,7
26
11,2
n°
1
1
1
1
2
Potenza assorbita
kW
0,55
0,7 (0,15)
1,5
2,2
2 x 1,5
Portata aria (max)
mc/s
1,19
2,32
4,3
6,3
9,3
Elettrica
400V 3 fasi 50Hz
Larghezza
Profondità
mm
mm
4 poli
800
800
4/8 poli
914
921
4 poli
1216
1226
4 poli
1826
1226
4 poli
2731
1226
Altezza
mm
2110
1880
2312 (2414)
2617 (2719)
2616
kg
kg
75
180
235
400
320 (365)
685 (730)
575 (620)
1085 (1130)
55,3 a 10 m
69 (62)*
76 (60)**
79 (68)**
853
1592
84 (72)**
a 1,5 m
A vuoto
In esercizio
Livello sonoro dB(A) a 3 metri in
campo libero rilevato sulla sommità
Ingresso
mm
50
80
100
100
100
Uscita
mm
50
80
100
100
100
Reintegro
Troppo pieno
mm
mm
20
15
25
50
25
50
25
50
25
50
Scarico
mm
20
50
50
50
50
Pacco di scambio
PVC
Rampa distribuzione acqua
PVC
Ugelli spruzzatori acqua
Finiture
ICT 4-54
85,4 (51,2)
Uscita
Motore
Dimensioni
ICT 3-63
42,7
Ingresso
Ventilatori
Aria
PMS 6/65
PP
Bacino
Vetroresina
Pannelli di rivestimento
Vetroresina
ABS
ABS
ABS
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
PVC
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
Alluminio
zincato
*In parentesi valori in bassa velocità del ventilatore per unità ICT 3- 63
**In parentesi valori con l’adozione di ventilatore a bassa rumorosità per unità ICT 4-54, ICT 4-66 e ICT 4-59
Ventilatore assiale
Nota
ABS
Separatori di gocce
Tabella 2 - Specifiche tecniche delle torri evaporative considerate
Scelta dei parametri operativi
Le varie considerazioni fatte finora
presuppongono che l’impianto sia stato ben
studiato per la specifica applicazione; in
particolare per quanto riguarda le singole
apparecchiature sia stata verificata
l’idoneità degli intervalli di temperatura e
delle portate dell’acqua calda utilizzata.
Un’ attenta progettazione dell’impianto
deve mirare ad un sostanziale recupero del
calore disponibile; ciò è particolarmente
necessario allorché questo viene per la
massima parte impiegato nell’assorbitore,
la cui alimentazione e le cui prestazioni
sono ad esso strettamente correlate. Una
disattenta valutazione delle portate e della
compatibilità delle temperature possono
rendere
il
sistema
parzialmente
inefficiente.
Si ipotizzi ad esempio che nel circuito
primario sia disponibile acqua a
temperature di mandata e di ritorno
prefissate. Ne consegue che anche nel
circuito
secondario,
quello
di
alimentazione
dell’assorbitore,
siano
teoricamente
disponibili
le
stesse
Figura 6 - Caldaia a pellet da 80 kW utilizzata in accoppiamento temperature. Qualora l’assorbitore fosse in
ad un assorbitore WFC SC 10 per la climatizzazione della
grado di sfruttare tutto il salto termico
Renewable Energy House a Bruxelles. L’edificio è sede delle
Associazioni comunitarie impegnate nel settore delle energie previsto dal primario, ne risulterebbe un
pieno utilizzo della potenza termica
rinnovabili.
disponibile. Va tenuto presente, per contro,
che gli assorbitori, qualora operino con temperature di alimentazione inferiori a quelle nominali,
vengono sostanzialmente penalizzati. Tutto ciò si traduce praticamente in un parziale utilizzo della
potenza disponibile sul primario. L’energia termica inutilizzata può naturalmente essere impiegata
altrove. Tuttavia il calore a disposizione potrebbe essere stato considerato completamente
convertibile nel progetto e, come sopra accennato, se lo stesso non è totalmente fruibile ne risulterà
una cospicua riduzione della potenza frigorifera ottenibile.
La massima potenza ricavabile si registra in ogni caso allorché la portata del circuito secondario
risulta la stessa del circuito primario. Le valutazioni necessarie al dimensionamento del sistema
dovranno basarsi sui valori rilevabili dalle curve caratteristiche di prestazione del singolo modello
di assorbitore considerato. In figura 2) sono riportate quelle relative al WFC SC 30, di potenza
frigorifera pari a 105 kW. Servirà in aggiunta l’ausilio della formula 1) sotto riportata, che regola i
rapporti fra i vari parametri in gioco in un circuito idraulico.
P = C ∆T Q
dove:
P = potenza termica scambiata
C = calore specifico dell’acqua, pari a 4,187
∆T= differenziale di temperatura dell’acqua
Q = portata volumetrica dell’acqua
(1)
(kW)
(kWs/°C l)
(°C)
(l/s)
La procedura da seguire risulterà la seguente.
Fissata la temperatura dell’acqua di alimentazione e la temperatura dell’acqua di raffreddamento,
per valori di portata di targa dell’acqua di alimentazione, dalle curve a) e b) della figura 2) si
potranno ricavare le potenze frigorifera erogata e quella termica assorbita.
Dalla formula 1), note la potenza assorbita e la portata utilizzata si potrà calcolare il salto termico
dell’acqua nel circuito di alimentazione, valore questo eventualmente necessario al
dimensionamento dello scambiatore di interfaccia fra circuito primario e secondario.
Qualora si adotti, a parità di temperatura dell’acqua di alimentazione, una portata ridotta rispetto a
quella di targa si potrà utilizzando la curva c) di figura 2), ricavare il fattore di penalizzazione della
potenza erogata e di quella assorbita. Nota quest’ultima, dalla formula 1) si potrà, determinare il
differenziale di temperatura dell’acqua nel circuito di alimentazione.
Per l’ottenimento dei vari valori in gioco, in luogo delle procedure sopra indicate, piuttosto
laboriose, è possibile utilizzare un programma di calcolo computerizzato appositamente elaborato.
Gli esempi sotto riportati chiariranno meglio quanto sopra asserito.
Esempi di valutazione delle prestazioni
Per un confronto dei risultati è risultato opportuno servirsi della stessa macchina per ogni singola
valutazione. Quella presa in esame è stata la WFC SC 30.
I valori ottenuti sono stati opportunamente arrotondati.
Primo esempio
Il primo esempio è costituito dalla macchina operante secondo i valori di targa, che come riportato
nella tabella 1) sono;
temperatura acqua calda di alimentazione
88 °C
portata acqua calda di alimentazione
7,2 l/s
temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
31 °C
A fronte di tali parametri, dalle curve di prestazione si otterrà:
Pf potenza frigorifera erogata
105 kW
Pt potenza termica assorbita
150 kW
temperatura acqua calda in uscita
83 °C
La temperatura dell’acqua calda in uscita è stata ricavata utilizzando la formula 1), che ha
evidenziato un ∆T di 5°C.
Secondo esempio
Si ipotizzi di operare con acqua disponibile a 88 °C, con ritorno a 78 °C.
Alimentando la macchina con acqua a 88 °C, con la portata nominale di 7,2 l/s, si otterrà un
differenziale di temperatura dell’acqua, come sopra riportato, di soli 5 °C. Allo scopo di
incrementare questo differenziale, si renderà necessario diminuire la portata. Procedendo per
successive riduzioni si individuerà nel valore di 2,8 l/s quello che produce nella macchina un salto
termico di 10 °C. La portata di 2,8 l/s, che corrisponde a circa il 40% di quella nominale, causa
come si può rilevare dalla curva c) di figura 2), un fattore di penalizzazione dello 0,8 delle potenze
di targa. Ne risulterà quindi una potenza erogata di 84 kW ed una corrispondente potenza assorbita
di 120 kW.
I parametri di funzionamento della macchina saranno in questo caso:
temperatura acqua calda di alimentazione
88
°C
portata acqua calda di alimentazione
2,8
l/s
temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
31
°C
Con produzione di:
Pf potenza frigorifera erogata
84
kW
Pt potenza termica assorbita
120
kW
temperatura acqua calda in uscita
78
°C
Dal confronto con i dati del primo esempio si può dedurre quanto segue .
L’incremento del differenziale di temperatura dell’acqua da 5 °C a 10 °C ha causato una riduzione
della potenza erogata di 21 kW (da 105 kW a 84 kW), pari a circa il 20%, con conseguente
riduzione della potenza termica assorbita di 30 kW (da 150 kW a 120 kW), sempre pari al 20%.
Terzo esempio
Si valutino ora le prestazioni dell’assorbitore operante con il valore massimo di temperatura
consentito per l’acqua di alimentazione, pari a 95 °C, sempre con portata di targa di 7,2 l/s e
temperatura di condensazione di 31 °C.
In questo caso le condizioni operative risulteranno le seguenti:
temperatura acqua calda di alimentazione
95
°C
portata acqua calda di alimentazione
7,2
l/s
temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
31 °C
A fronte delle quali si otterrà:
Pf potenza frigorifera erogata
120 kW
Pt potenza termica assorbita
190 kW
temperatura acqua calda in uscita
88,7
°C
Rispetto ai valori di targa, l’incremento del livello di temperatura di 7 °C (da 88 °C a 95 °C)
dell’acqua utilizzata ha prodotto una maggiore potenza erogata di 15 kW (120 kW meno 105 kW),
pari ad un aumento del 15% circa.
I dati di questo esempio relativi alle prestazioni della macchina, ricavati col programma di calcolo
computerizzato, sono riportati nella scheda sotto illustrata.
Scheda di prestazione WFC SC 30
per
temperatura acqua calda di alimentazione
portata acqua calda di alimentazione
temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
95
°C
7,2 l/s
31
°C
Portata
Tempertura ingresso
Perdita di carico (nominale)
Potenza da disspare
15,3
31
43,1
310,8
l/s
°C
kPa
kW
Portata
Temperatura uscita
Perdita di carico (nominale)
Potenza frigorifera erogata
4,58
7
70
120,3
l/s
°C
kPa
kW
Portata
Temperatura ingresso
Perdita di carico
Potenza termica assorbita
Δt acqua calda di alimentazione
7,2
95
54
190,5
6,3
l/s
°C
kPa
kW
°C
N.B. I valori sopra riportati devono essere considerati
di semplice riferimento teorico e, pertanto, puramente
indicativi.
Conclusioni
Dagli esempi sopra considerati si possono trarre le seguenti conclusioni.
Le prestazioni conseguibili sono fortemente influenzate dal livello entalpico dell’acqua utilizzata e
dalle variazioni di entalpia che la stessa subisce nel passaggio nella macchina. Il primo dei due
valori è individuato dalla temperatura massima dell’acqua di alimentazione, il secondo dal
differenziale di temperatura prodottosi nel circuito.
La massima prestazione dell’assorbitore, a parità di ogni altra condizione di funzionamento, è
conseguibile adottando, per l’alimentazione, la portata di targa. Ciò in quanto, a portata ridotta
corrisponde un salto termico dell’acqua maggiore e quindi un sua maggiore variazione entalpica.
Nel caso si progetti l’utilizzo di cascami di calore per l’azionamento esclusivo di un assorbitore, si
dovrà dimensionare il recuperatore in modo tale che questo lavori ai massimi livelli di temperatura
ottenibili, adottando le portate di targa dell’assorbitore considerato. La potenza termica recuperata
potrà in tal modo essere completamente convertita in freddo.
Qualora invece si consideri un impianto a recupero termico esistente, si dovrà verificare la
compatibilità delle temperature, delle portate, e delle potenze in gioco, in quanto come evidenziato
dagli esempi sopra illustrati, non è possibile asservire completamente l’assorbitore al sistema
termico già operante.
I valori di funzionamento, per condizioni diverse da quelle di targa, possono essere ricavati dalle
curve
caratteristiche
di
prestazione,
oppure,
richiedendo
all’indirizzo
e-mail
[email protected] le schede di prestazione del tipo sopra illustrato.
Va tenuto presente al riguardo che l’effetto moltiplicativo prodotto dalla contemporanea adozione di
differenti parametri operativi può generare risultati non pienamente attendibili. In altri termini, ciò
significa che i valori ottenuti variando più condizioni di esercizio debbono essere considerati solo
indicativi e, come tali quindi utilizzati.
Per ulteriori informazioni contattare:
Maya S.p.A.
Viale Monte Santo 4
20124 Milano MI
Tel: +39 02 290 60 290 - Fax: +39 02 290 04 036
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Milano, 2/2012