Ciclo a semplice compressione di vapore di un gruppo frigorifero:

 
 
 
Ciclo a semplice compressione di vapore di un gruppo frigorifero
di Luigi Bianco
 
In questi appunti si richiamano i concetti già espressi nell'Esercitazione 1 e si
introdurranno di nuovi, al fine di elaborare un confronto tra il funzionamento di
tre macchine frigorifere a compressione di vapore destinati a sottrarre una
potenza termica di 100 kW ad una cella frigorifera, la quale è mantenuta a
temperatura costante pari a -24°C.
 
Università: Politecnico di Torino
Facoltà: Ingegneria
Corso: Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio
Esame: Tecniche del freddo e criogenia
Docente: Silvi1. Ciclo a doppia compressione di vapore
Nella presente relazione si richiameranno concetti già esposti nell’esercitazione 1 e si introdurranno di
nuovi, al fine di elaborare un confronto tra il funzionamento di tre macchine frigorifere a compressione di
vapore destinati a sottrarre una potenza termica di 100 kW ad una cella frigorifera, la quale è mantenuta a
temperatura costante pari a -24°C. Le macchine lavorano tra una temperatura di evaporazione di -27°C e una
temperatura di condensazione di 42 °C, mentre la temperatura ambiente è considerata pari a 35°C. 
 
Le macchine considerate sono le seguenti: 
 
· Macchina funzionante secondo ciclo a semplice compressione di vapore, adoperante ammoniaca (R717)
come fluido frigorigeno; 
 
 
· Macchina funzionante secondo ciclo a doppia compressione di vapore con separatore intermedio,
anch’esso funzionante con R717; 
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· Macchina funzionante secondo due cicli in cascata NH3-CO2 (R717-R744), con scambiatore di calore
intermedio. 
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Per tutti i compressori si assume un rendimento isoentropico dell’80%. Sono trascurate le perdite di
pressione e non sono contemplati sottoraffreddamenti e surriscaldamenti. 
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Ciclo a semplice compressione di vapore di un gruppo frigorifero 2. Strumenti di calcolo
Si utilizza anche per questa esercitazione Refrigeration Utilities, per la determinazione delle prestazioni dei
cicli e il valore delle variabili termodinamiche che caratterizzano il fluido frigorigeno nella sua evoluzione
all’interno della macchina. 
Anche per l’R717 e l’R744 si assumono condizioni di riferimento rispetto alle quali si riferiscono i valori
entalpia ed entropia di 200 kJ/kg e 1 kJ/(kg K) per liquido saturo a 0 °C. 
Per l’ esecuzione dei calcoli attinenti agli obiettivi il programma richiede in input: 
· Tipo di ciclo; 
· Temperatura di evaporazione ed condensazione; 
· Grado di surriscaldamento all’evaporatore; 
· Grado di sottoraffreddamento al condensatore; 
· Rendimento isoentropico del compressore; 
· Potenza sottratta all’evaporatore; 
· Pressione intermedia. 
 
In output il programma fornirà: 
· Capisaldi del ciclo con tracciamento dello stesso su diagramma P-h; 
· Calore scambiato all’evaporatore; 
· Portata circolante di fluido refrigerante; 
· Calore/potenza scambiata al condensatore; 
· Lavoro e rapporto di compressione; 
· COP. 
 
Si nota che rispetto all’esercitazione 1, essendo preso in considerazione un ciclo a doppia compressione di
vapore, è necessario specificare la pressione intermedia, come valore o come relazione tra essa e le pressioni
estreme. 
Si sottolinea inoltre che l’analisi della macchina con due cicli in cascata verrà fatta considerando che essa sia
composta da due cicli elementari; ciò è reso necessario dai limiti del software, che non è in grado di trattare
questo tipo di macchina.
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Ciclo a semplice compressione di vapore di un gruppo frigorifero 3. Gas refrigeranti
I fluidi frigorigeni considerati sono fluidi naturali. La nomenclatura ASHRAE assegna a tali prodotti
inorganici utilizzabili come fluidi frigorigeni la serie R-700.   
 
R717   
 
L’ammoniaca ha ottime proprietà fisiche, quali bassa temperatura di congelamento (-77°C), bassa
temperatura di saturazione a pressione ambiente (-33°C). In compenso è tossica, anche se solo ad alte
concentrazioni (8 volte maggiori delle soglie alle quali viene avvertita dagli esseri umani), ed è
incompatibile col rame, richiedendo motori elettrici separati dal compressore. Il suo utilizzo per le
caratteristiche di tossicità sono riservate ad applicazioni industriali.   
 
R744   
 
Lo studio di macchine adoperanti l’anidride carbonica come fluido refrigerante è iniziata concretamente dal
1990. I pregi maggiori di tale gas sono il basso costo e l’atossicità. Di contro le caratteristiche fisiche
(temperatura critica 31,1°C) rendono necessarie soluzioni non convenzionali come cicli transcritici (ove la
pressione di condensazione è maggiore della pressione critica) e cicli in cascata, ove la CO2 evolve nel lato
a bassa temperatura.  
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