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Documento PDF - AMS Tesi di Laurea

1. 000 Pag 5 3 3 Rendimento isoentropico del compressore Pag 5 3 4 Temperatura di evaporazione Pag 34 Contronto tra l R744eIRATOd aira a Pag 5 4 1 Definizione del ciclo per 1 R410a Pag 5 4 2 Temperatura di condensazione nel ciclo suberitico Pag 5 4 3 Risultati del confronto fra 1 fluidi Pag CAPITOLO 6 6 1 Scelta del compressore transcritico ad R744 Pag 60 2 Gliscambiatori dicalore sissi riali Pag 6 2 1 Dimensionamento dell evaporatore LL Pag 6 2 2 Dimensionamento del gas cooler Pag 6 3 Realizzazione del telaio della pompa di calore Pag 6 4 La valvola di laminazione Pag 6 4 1 Valvola a retropressione costante L Pag 6 4 2 Valvola a retropressione abbinata ad una termostatica Pag 6 4 3 Valvola differenziale abbinata ad una valvola termostatica Pag O 4A4 ValVOlRteriMOStalt rionale Pag 045 UDC Pag OAA Vaol cleron a rated ri Pag 6 5 Tubazioni della pompa di calore L serere Pag 6 01 Pressostato differeriziale x sscri vorra ron dra Pag 6 7 Realizzazione dei pannelli di chiusura L Pag CAPITOLO 7 7 1 I sistemi di produzione dell acqua calda sanitaria
2. Pag 7 2 Serbatoi per acqua calda sanitaria Pag 5I pencolo lesionella casier ii Pag 7 4 Disinfezione negli impianti per acqua calda sanitaria Pag 7 5 Preparatori rapidi di acqua calda Pag TO Bollotla strpeliimossscccnaaa Pag 7 7 Termoaccumuli Puffer e Combi zizi Pag 7 8 Preparatori istantanei di acqua calda sanitaria Pag CAPITOLO 8 Conclusioni e sviluppi futuri EEE A EE EA Pag BIBLIOGRAFIA nisi irradia Pag 68 69 71 71 73 74 75 76 76 T1 78 SI 87 95 98 103 108 109 111 112 114 115 116 120 126 128 131 132 134 138 140 141 144 146 150 152 Introduzione Ho svolto la mia attivit di tesi all interno dell ufficio tecnico dell azienda Fiorini Industries di Forl ubicata in Via Zampeschi 119 L azienda detiene una posizione di leadership europea nel settore idrotermosanitario in virt delle soluzioni e dei sistemi integrati per la realizzazione di impianti di riscaldamento condizionamento e per la produzione di acqua calda sanitaria basati sull utilizzo di diverse tipologie di energia tradizionali od a fonti rinnovabili come solare termico solare fotovoltaico ibrido e geotermico a bassa entalpia In particolare grazie alla collaborazione con lo stabilimento di Treviso si sviluppano soluzioni a pompa di calore ad alta efficienza con marchio MyClima
3. Rappresentazione delle connessioni S3 e S4 di ingresso ed uscita dell R744 e del manicotto SI lato sonda 6 2 2 Dimensionamento del gas cooler Una delle fasi pi critiche della progettazione della pompa di calore ha riguardato la scelta del gas cooler poich stato necessario individuare uno scambiatore in grado di resistere a pressioni di progetto superiori a 100 bar riuscendo allo stesso tempo a non compromettere lo scambio termico fra due fluidi acqua alla pressione ambiente da un lato ed anidride carbonica ad 80 bar dall altro caratterizzati da propriet termodinamiche molto diverse Infatti come stato spiegato nel Capitolo 4 la CO presenta un andamento del calore specifico a pressione costante estremamente variabile con la temperatura in particolare in prossimit del punto critico come mostra chiaramente il diagramma T s in Figura 6 21 Note le prestazioni del compressore Copeland stato possibile calcolare la temperatura della CO in ingresso al gas cooler attraverso la relazione h2ia hi 0 6563 N E a 6 1 di ha h l Il valore di hj ovvero l entalpia del gas in aspirazione al compressore si ottiene dal diagramma di Mollier in corrispondenza della temperatura T 2 C e della pressione di evaporazione seguendo la curva isoentropica fino alla pressione di 98 mandata p 80 bar si determina il valore dell entalpia hzja che rappresenta l energia specifica del fluido in
4. 80 bar 0 C 15 C SL 30 bar 5 C 3 C Figura 6 34 Schema dell impianto per la produzione di acqua termosanitaria 107 6 4 La valvola di laminazione In commercio esistono molte tipologie di valvole ed organi di laminazione che si differenziano per il principio di funzionamento e per le caratteristiche del fluido frigorifero che devono trattare essi hanno la funzione di abbattere attraverso uno strozzamento la pressione tramite dissipazione viscosa e rappresentano un regolatore di portata la quale s1 pu modificare al variare dei parametri termodinamici del ciclo Le valvole di laminazione si suddividono in due gruppi gt valvole termostatiche rilevano la temperatura del vapore surriscaldato all uscita dell evaporatore e variano con un sistema a retroazione la portata di refrigerante in modo da renderla costante ci permette al ciclo frigorifero di adattarsi alle variazioni di carico termico sull evaporatore Possono essere manuali o elettroniche accoppiate con un motore elettrico passo passo in grado di variare con continuit l apertura della valvola evitando fenomeni di pendolazione gt valvole a pressione costante mantengono costante la pressione all evaporatore durante tutto 1l ciclo di funzionamento del compressore possibile variare entro certi limiti il valore della pressione di riferimento attraverso la rotazione di una vite di regolazione In un impianto frigorifero o a pompa di calore in cu
5. Attraverso una corretta programmazione del microprocessore infatti possibile ottimizzare sia la pressione massima del ciclo che quella minima all evaporatore massimizzare lo scambio termico nella zona di bassa pressione minimizzare 1 tempi di risposta alle variazioni del carico consentire un miglior controllo sul grado di surriscaldamento del fluido aspirato dal compressore assicurare procedure di arresto nel caso di condizioni operative che possono danneggiare la macchina Per le tradizionali valvole meccaniche l apertura e la chiusura si verificano a fronte di particolari condizioni fisiche del fluido come ad esempio la differenza di temperatura o di pressione questo consente alla valvola di lavorare correttamente solo all interno di un intervallo ben definito al di fuori del quale viene compromessa l efficienza del ciclo Mediante l impiego delle valvole elettroniche queste problematiche vengono eliminate in quanto il microprocessore a regolarne l apertura e la chiusura indipendentemente dal verificarsi o meno di particolari condizioni Risulta quindi pi facile rispondere alle variazioni del ciclo garantendo un ottima efficienza Molto interessante la regolazione della pressione massima di evaporazione 1l cui valore reso disponibile con continuit al microprocessore grazie alla presenza di un sensore posto a lato dell evaporatore sulla base della programmazione svolta possibile
6. definita possibile ottenere un composto le cui propriet fisiche sono completamente diverse da quelle di una generica miscela in quanto il punto di ebollizione pi basso di quello dei singoli componenti che la compongono l evaporazione si svolge a temperatura costante con composizione costante sia per il liquido che per il vapore In base alle propriet fisiche e chimiche esse si suddividono in miscele azeotropiche realizzano 1 processi di cambiamento di fase a pressione e temperatura costanti comportandosi come fluidi frigorigeni puri inoltre mantengono costante la loro composizione chimica in caso di fughe dal circuito all interno del quale sono contenute miscele zeotropiche durante il cambiamento di fase sono caratterizzate da uno scostamento di temperatura detto glide questo pu provocare una variazione nella composizione della miscela il cosiddetto frazionamento sia durante la fase di carica che nel caso di fughe in quanto diminuisce 1l contenuto del componente pi volatile miscele quasi azeotropiche tali miscele presentano un leggero scorrimento della temperatura durante il cambiamento di fase in misura 44 da non provocare effetti apprezzabili sulle prestazioni e la sicurezza dell impianto Un esempio di miscela utilizzata nel campo della refrigerazione 1l fluido R410a composto da R32 difluorometano CH2F2 e R125 pentafluoroetano C HFs con comportamento quasi azeotropico ovvero c
7. energia impiegata per rendere possibile tale operazione per un utilizzo esterno ad una temperatura mediamente superiore Le principali fonti di calore a bassa temperatura utilizzate in tale applicazione possono essere sorgenti naturali come il suolo l aria o l acqua oppure fonti artificiali come 1 flussi di calore emessi da processi industriali questa propriet di sfruttare fonti di energia rinnovabile per il proprio funzionamento permette alle pompe di calore di essere un efficiente tecnologia nel riscaldamento e raffreddamento di ambienti garantendo inoltre un ridotto impatto ambientale rispetto al sistemi tradizionali Una prima classificazione delle pompe di calore pu essere effettuata in base al tipo di energia richiesta per il funzionamento energia meccanica prodotta generalmente da motori elettrici energia termica generata con cicli ad assorbimento 1 3 1 Pompe di calore a compressione meccanica di vapore La maggior parte degli impianti opera con un ciclo a compressione di vapore Figura 1 4 1 cui componenti principali sono il compressore la valvola di laminazione due scambiatori di calore ovvero l evaporatore ed 11 condensatore tali elementi sono connessi attraverso un circuito chiuso nel quale scorre un fluido volatile detto operativo o refrigerante All interno dell evaporatore la temperatura del fluido mantenuta inferiore rispetto a quella della sorgente di calore in modo tale da garantir
8. Calore specifico isobaro in condizioni transcritiche 15 Una variazione cos elevata del calore specifico deve essere considerata durante 1l dimensionamento degli scambiatori che raffreddano il gas in condizioni supercritiche Il flusso termico infatti proporzionale alla portata in massa m al 57 calore specifico cp ed alla variazione di temperatura At fra ingresso ad uscita dello scambiatore secondo l equazione qam c At 4 2 Considerando una pressione p 80 bar curva rossa del diagramma e supponendo di raffreddare una determinata portata di CO da 120 C a 25 C il calore specifico si pu ritenere costante fino a t 100 C in questa zona la portata di fluido trasferisce circa lo stesso flusso termico per ogni grado celsius di raffreddamento Successivamente il cp Inizia a crescere prima lentamente poi molto rapidamente avvicinandosi alla temperatura pseudocritica a 100 C si ha cp 1 33 KJ kgK a 50 C cp 2 51 KJ kgK fino a raggiungere il massimo a t 35 C in cui vale 29 59 KJ kgK In seguito scende rapidamente fino a cp 2 97 kJ kgK at 20 C A causa della forte variabilit di questa grandezza in prossimit del punto critico evidente come nella fase di dimensionamento degli scambiatori sia possibile commettere gravi errori soprattutto in condizioni supercritiche Nella descrizione delle capacit di scambio termico di un fluido rivestono grande importanza anche le propriet di trasporto ovvero la condut
9. R134a il quale innocuo per l ozono essendo un HFC ma altrettanto pericoloso per l ambiente essendo caratterizzato da un indice GWP pari a 1200 dal momento che le perdite di carica del refrigerante negli impianti di condizionamento delle automobili non sono trascurabili e considerato che la ricarica dell impianto viene effettuata ogni due anni si pu comprendere come il danno ambientale possa essere estremamente elevato Anche in questo caso quindi palese il vantaggio offerto dall utilizzo dell anidride carbonica in sostituzione all R134a Per questo motivo alcune case automobilistiche hanno iniziato ad installare impianti a CO su alcuni modelli in produzione 67 CAPITOLO 5 5 1 Analisi teorica del ciclo transcritico ad R744 Per effettuare una valutazione delle propriet riguardanti il ciclo transcritico caratteristico delle pompe di calore a CO sono stati utilizzati 1 software CoolPack e Simple One Stage CO2 Cycle implementati all interno del Dipartimento di Ingegneria Energetica della Technical University of Denmark DTU Tali programmi permettono di svolgere le seguenti attivit calcolo delle propriet termodinamiche di ogni tipo di refrigerante naturale o sintetico analisi dei cicli termodinamici confronto fra diversi refrigeranti o fra cicli a uno o due livelli di compressione dimensionamento di sistemi calcolo delle taglie dei componenti utilizzando equazioni di validit generale
10. che in genere possono sopportare a lungo temperature fino a 50 C mentre muoino rapidamente oltre 1 55 C In considerazione di tali aspetti per le utenze tradizionali in genere un buon compromesso stoccare acqua a 60 C I serbatoi prodotti all interno della Fiorini Figura 7 1 sono realizzati in acciao al carbonio trattati internamente con smaltatura in Zetaflon idoneo per l utilizzo sanitario e verniciati esternamente con un trattamento antiruggine Essi sono collaudati per temperature fino a 95 C ma consigliato non superare 1l limite di 65 C come temperatura massima di esercizio sia per ragioni di risparmio energetico che per ridurre le corrosioni da correnti galvaniche ed 1 sedimenti di origine calcarea consentito superare tale valore di temperatura in occasione del periodico trattamento anti batterico che le norme sanitarie dispongono per 1 serbatoi contenenti acqua calda Inoltre vengono prodotti serbatoi in acciaio inox AISI 316 ed in acciaio al carbonio vetro porcellanato secondo norma DIN 4753 in grado di resistere in modo continuativo alla temperatura di 95 C L anodo Simpletest presente in figura un anodo sacrificale per protezione catodica in lega di magnesio impiegato contro la corrosione del serbatoio ed assorbe le scariche elettriche che potrebbero avvenire al suo interno perforandone la superficie 132 nen f 4 h A 5 dA A 7 j O 4 Vv T 5 mi Z lt A J Aypa
11. gt 120 Pos Descrizione _ X Uscitaacquacalda N AnodoSimpletest O Ausiliario Ce Asirio o l Ausilio CARATTERISTICHE Serbatoio d accumulo verticale per acqua calda smaltato Coibentazione in poliuretano flessibile da 50 mm Finitura esterna PVC morbido Pressione max d esercizio 6 bar Completo di anodo Simpletest S U Ricircolo z MI Figura 7 1 Serbatoio per acqua calda sanitaria Serie TK Fiorini 28 133 7 3 Il pericolo legionella Col termine legionellosi sono indicate tutte le forme di infezione causate da varie specie di batteri gram negativi aerobi del genere legionella Fino ad oggi ne sono state identificate pi di 40 specie la Pneumophila la specie pi pericolosa e ad essa sono addebitati circa 11 90 dei casi di legionellosi Il termine legionella trae origine da un tragico raduno di ex combattenti della guerra in Vietnam in gergo detti legionaires tenutosi nel luglio del 1976 in un albergo di Philadelfia USA durante tale raduno su circa 2 000 partecipanti ben 221 furono colpiti da polmonite acuta e 34 non riuscirono a sopravvivere Inizialmente si ipotizz un attacco biologico da parte dei Russi ma in seguito si scopr che la causa di tali decessi era da attribuirsi all azione di batteri in precedenza sconosciuti che si erano sviluppati nell impianto di condizionamento Indagini retrospettive hanno poi attribuito agli stessi
12. invece fissate per punti Figura 6 12 la loro disposizione tale che nel pacco delle piastre 1 due fluidi si alternino in controcorrente 89 PIASTRA CORRUGATA GUARNIZIONE PIASTRA CORRUGATA Figura 6 12 Componenti degli scambiatori a piastre corrugate Le disposizioni del flusso sono generalmente simmetriche con canali in parallelo ma possibile realizzare anche flussi con canali in serie o misti serie parallelo la scelta dipende dal programma termico e dalla lunghezza termica delle piastre ovvero dalle loro caratteristiche geometriche Gli scambiatori con piastre lisce hanno gli attacchi incrociati Figura 6 13 mentre quelli con lastre corrugate hanno gli attacchi paralleli non incrociati Figura 6 14 Figura 6 13 Esempi di flusso in scambiatori a piastre lisce con configurazione a passaggio singolo e a passaggi multipli 90 Figura 6 14 Esempi di flusso in scambiatori a piastre corrugate con configurazione a passaggio singolo e a passaggi multipli 18 Le lastre corrugate possono essere costruite con qualsiasi materiale stampabile con notevoli limitazioni per 1 materiali molto duttili e malleabili come il rame poich rischierebbero una volta assemblate nello scambiatore e serrate di perdere la loro forma ottenuta per stampaggio modificando di conseguenza in modo irreparabile le intercapedini ed 1 canali di passaggio I materiali comunemente utilizzati sono acciaio inox AISI 304 AISI 316 ti
13. lago fiume oppure di falda I costi di investimento sono superiori rispetto alla soluzione ad aria a causa della maggiore complessit dell impianto che richiede pompe e valvole per la circolazione dell acqua eventuale realizzazione di un pozzo artesiano sistema di smaltimento dell acqua esausta preparazione del terreno su cui operare 1 lavori di interramento delle serpentine per lo scambio di calore Le acque sotterranee sono una fonte termica molto appropriata per le pompe di calore in quanto riescono a mantenere temperature costanti durante l arco dell anno 10 15 C in condizioni normali 15 25 C in zone adiacenti a localit termali La temperatura dell acqua di falda si attesta in prossimit della superficie terrestre alla temperatura media dell aria esterna e cresce con l aumentare della profondit se il punto di prelievo ad una profondit adeguata le variazioni termiche annuali sono trascurabili I sistemi a pompa di calore acqua acqua possono essere a circuito aperto sfruttando in modo diretto l acqua di falda oppure a circuito chiuso con un fluido termovettore intermedio come nelle classiche applicazioni geotermiche Le applicazioni con circuito aperto richiedono la presenza di uno o pi pozzi per la captazione dell acqua e la sua restituzione in falda come possibile osservare in Figura 1 10 la progettazione di tali pozzi dipende oltre che dalle propriet geologiche del sito dalla portata
14. acqua ed alle ingenti masse dei 15 bacini sono ancora delle ottime sorgenti per pompe di calore di tipo acqua acqua Il mare costituisce la sorgente termica pi sfruttata nei mari che bagnano l Italia la temperatura varia da un minimo di 10 C in inverno ad un massimo di 25 C in estate lo sfruttamento di acque salate amplifica per 1 fenomeni di corrosione Fiumi e laghi soffrono un instabilit pi elevata con temperature comunque favorevoli che passano da un minimo di 4 6 C in inverno ad un massimo di 25 C in estate con queste acque diminuiscono 1 problemi di corrosione ma aumentano quelli di filtraggio per la presenza di materiale in sospensione che viene intercettato prima che il fluido entri in contatto con la pompa di calore La quantit di acqua necessaria all impianto dipende dal fabbisogno termico da soddisfare nonch dalle condizioni della sorgente indicativamente per ogni kW di fabbisogno possono occorrere da 250 1 h fino a 400 1 h di acqua Lo sfruttamento di acque superficiali pu avvenire in modo diretto facendo passare attraverso uno scambiatore l acqua della sorgente oppure in modo indiretto sfruttando un circuito chiuso intermedio in cui circola un fluido glicolato che consente all impianto di lavorare in condizioni limite anche a temperature inferiori a 0 C Lo scambiatore pu essere posizionato direttamente all interno delle acque superficiali ad esempio lungo il corso di un fiume
15. all interno del paragrafo 4 3 1 il ciclo a CO caratterizzato dalla possibilit di calcolare la pressione ottimale del fluido operativo in uscita dal compressore al fine di massimizzare 11 COP della pompa di calore La simulazione stata effettuata in modo da verificare la bont del modello matematico sviluppato da Liao e Jakobsen sull esistenza di tale pressione ottimale Sono state fornite in input le seguenti temperature temperatura di evaporazione 3 C temperatura di uscita del gas dal gas cooler 30 C Incrementando in modo iterativo di 1 bar la pressione di scarico si ottiene un valore massimo del COP ideale pari a 5 15 in corrispondenza di una pressione ottimale di 75 bar Figura 5 3 72 74 76 78 80 Pressione ottimale gas cooler bar Figura 5 3 Andamento del COP in funzione della pressione interna al gas cooler Con un aumento progressivo della pressione dell R744 in uscita dal compressore il COP assume un andamento che tende a decrescere lentamente dopo avere raggiunto il massimo in corrispondenza della pressione ottimale al contrario se la pressione al gas cooler inferiore al valore ottimale si registra una brusca diminuzione del Coefficient of Performance Questo particolare andamento si verifica perch esso calcolato in base al rapporto fra l effetto utile dato dal riscaldamento dell acqua Ahg ho h3 e 73 l energia elettrica necessaria a permettere il funzioname
16. calore 1 sistemi a ciclo chiuso tipici delle applicazioni geotermiche hanno invece temperature di funzionamento decrescenti all aumentare della richiesta oraria e in genere pi basse di quelle ottenibili dai cicli aperti Per questo motivo il coefficiente di prestazione dei 18 sistemi a ciclo aperto generalmente pi elevato di quello ottenibile dai sistemi a ciclo chiuso Gli intervalli di temperatura medi che si trovano alle nostre latitudini a diverse profondit sono 1 seguenti e dai 3 C in inverno al 17 C in estate entro 1 primi 2 m dal piano campagna e 12 Ccostantia circa 15 m dal piano campagna QD 20 a Profondit m O 3 4 DI D 15 1 7 gt N 1 0 T 1 0 5 m i J 3 10 h _ Temperatura pr sO ian w i aria D EL Pi sta RL E a d dI mom H g Gennaio Marzo Maggia Luglia Sellam bre Novem rte Mese Figura 1 15 Andamento della temperatura del terreno negli strati superficiali 7 Il grafico in Figura 1 15 mostra la variabilit della temperatura del sottosuolo nelle diverse stagioni ed indica come l oscillazione delle temperature del terreno durante l anno a diverse profondit dal piano campagna meno marcata con l incremento della profondit Il funzionamento invernale delle pompe di calore geotermiche comporta l estrazione di energia dal sottosuolo con conseguente diminuzione della temperatura I sistemi di captazione superficiali dell energia s
17. calore del gas di scarico in aggiunta a quello prodotto al condensatore l efficienza energetica legata alla conversione dell energia termica sviluppata dal motore endotermico in energia meccanica al compressore risulta per decisamente inferiore rispetto a quella del motore elettrico Heat ln T rapari Diminta Ne di Fapanziaa D ET Ea l Conde ve F Figura 1 6 Pompa di calore a compressione con motore endotermico 4 1 3 2 Pompe di calore ad assorbimento Le pompe di calore ad assorbimento basano il proprio funzionamento sullo sfruttamento dell energia termica invece che sull utilizzo dell energia meccanica In particolare tali sistemi utilizzano la capacit di particolari liquidi o sali di assorbire il vapore dal fluido frigorifero che opera fra la zona di alta pressione e la zona di bassa pressione Le sostanza maggiormente utilizzate in tali impianti sono acqua fluido operativo e bromuro di litio assorbente ammoniaca fluido operativo ed acqua assorbente Come possibile notare in Figura 1 7 la compressione del fluido raggiunta termicamente in un impianto di composto da e pompa per il pompaggio della soluzione e scambiatore di calore per la condensazione del vapore del fluido operativo e scambiatore di calore che effettua l evaporazione del fluido e generatore che permette di ottenere una soluzione assorbente pi densa e assorbitore in cui il calore assorbito dalla s
18. condizioni ideali 200 175 150 125 Temperature C 1 6 Entropy kJ kg K Figura 6 21 Andamento del calore specifico a pressione costante per l R744 20 Invertendo l equazione 6 1 si calcola il valore dell entalpia h dell anidride carbonica in mandata al compressore kJ kJ h h 479 _ 438 182 A h 224 L 9 kI i 438 182 500 38 E 6 2 Nic 0 6563 kg kg Infine introducendo in input la pressione e l entalpia del punto 2 possibile determinare dal diagramma Tz 86 C che rappresenta la temperatura del fluido in ingresso al gas cooler Poich la pompa di calore da progettare adibita alla produzione di acqua calda sanitaria ad alta temparatura si considerata una temperatura dell acqua in ingresso allo scambiatore pari a 15 C mentre in uscita s1 desidera ottenere 60 C Tramite il software di dimensionamento degli scambiatori Alfa Laval s1 cercato di ottenere un profilo di temperatura nei due lati del gas cooler tale da non avere incroci indesiderati fra le due curve Figura 6 22 99 Jesedwe 9 sun 10 250 300 350 400 450 500 Enthalowv kJ ka Figura 6 22 Profili di temperatura fra 1 fluidi all interno del gas cooler A causa della forte variabilit del calore specifico della CO lungo lo scambiatore si ottiene un profilo di temperatura molto particolare la minima temperatura in uscita che possibile ottenere senza provocare incroci fra
19. d acqua necessaria alla pompa di calore in considerazione del fatto che la portata necessaria ad 1 kW termico oscilla tra 150 I h e 200 I h Il prelievo di queste portate deve essere compatibile con 1 tempi di ricarica della falda e deve essere autorizzato dalle autorit locali Il dimensionamento dei pozzi deve essere effettuato in funzione delle portate di transito in modo da evitare fenomeni di trascinamento e risalita di sporcizia agli organi della pompa di calore 1 pozzi inoltre devono rispettare una distanza reciproca di almeno 15 m ed il prelievo e lo scarico devono avvenire nel senso di flusso delle acque 14 Figura 1 10 Esempio di pompa di calore acqua acqua con acqua di falda 6 In presenza di un bacino superficiale in comunicazione con la falda la restituzione in falda pu avvenire direttamente al suo interno anzich attraverso un pozzo dedicato Figura 1 11 Maggiore affidabilit garantita da impianti a scambio indiretto con uno scambiatore interposto tra la sorgente ed il circuito lato pompa di calore si evitano in questo modo 1 problemi relativi alla qualit delle acque ottenendo le stesse prestazioni di un circuito chiuso ma con un minore investimento iniziale RR Figura 1 11 Restituzione dell acqua di falda tramite acque superficiali 5 Le acque superficiali presentano una maggiore instabilit termica rispetto alle acque di falda ma grazie all inerzia termica dell
20. dell acqua dal condensatore che s1 vuole ottenere quindi differente dalle temperatura di uscita della CO dal gas cooler utilizzata nella simulazione del ciclo ad anidride carbonica che invece si ottiene a partire dalla temperatura dell acqua in ingresso allo scambiatore Si nota dal grafico in Figura 5 7 come all aumentare della temperatura di condensazione quindi della temperatura di uscita dell acqua si verifichi una riduzione del COP questo fenomeno termodinamico acquisisce grande importanza nel riscaldamento dell acqua calda sanitaria che raggiunge temperature superiori ai 60 C evidenziando 1 limiti dell R410a per tale applicazione 40 45 Temperatura di condensazione C Figura 5 7 Dipendenza del COP dalla temperatura di condensazione 77 5 4 3 Risultati del confronto fra i fluidi Nello studio sulla convenienza dell utilizzo dell anidride carbonica rispetto ad un fluido sintetico tradizionale come 1 R410a si posta l attenzione sull andamento del COP nei due cicli in funzione dello scambio termico richiesto sullo scambiatore di alta temperatura gas cooler o condensatore I parametri su cui si posta l attenzione durante l iterazione sono 1 seguenti gt temperatura in ingresso dell acqua al gas cooler o al condensatore gt incremento di temperatura dell acqua che si vuole ottenere in base alla temperatura che si desidera ottenere all utenza Nella prima fase della simul
21. di raggiungere 1 valori di COP che si ottengono con 1 fluidi tradizionali Il Capitolo 1 descrive le propriet dei cicli termodinamici inversi dal ciclo inverso ideale di Carnot ai cicli frigoriferi reali in seguito si passa alla classificazione delle pompe di calore a compressione di vapore elencando 1 vantaggi che esse offrono rispetto al sistemi di riscaldamento o condizionamento tradizionali All interno del Capitolo 2 si concentra l attenzione sulla geotermia ovvero sullo scambio termico nel suolo e sulle caratteristiche delle pompe di calore geotermiche sottolineando le differenze fra sonde verticali e sonde orizzontali La trattazione prosegue con la descrizione dei fluidi frigoriferi 11 Capitolo 3 spiega lo sviluppo dei refrigeranti sintetici e le cause che hanno portato al loro declino da cui nasce la necessit di individuare fluidi alternativi a limitato Impatto ambientale Nel Capitolo 4 si considerano le propriet termodinamiche dell anidride carbonica all interno dei cicli inversi transcritici e vengono brevemente presentate le principali applicazioni dell R744 come fluido frigorigeno Terminata la fase teorica dell attivit di tesi sono passato alla fase progettuale nel Capitolo 5 vengono presentate le simulazioni sul ciclo transcritico a CO le cui prestazioni vengono confrontate con quelle dell R410a utilizzato nelle pompe di calore a marchio MyClima attualmente presenti sul mercato A partire dal Capito
22. di sicurezza 8 Utenze Utenza Fos Fos EEE maria 5 2 Vaso d espansione chiuso 6 VaWoladistao BORE BE a Valvola dis Figura 7 13 Schema d installazione di un preparatore istantaneo di acqua calda sanitaria in abbinamento ad un termoaccumulo 28 149 CAPITOLO Conclusioni e sviluppi futuri Lo studio sulle propriet termodinamiche della CO2 ed il confronto con 1 fluidi frigoriferi sintetici effettuato attraverso il software Coo Pack hanno evidenziato come nel campo delle pompe di calore per la produzione dell acqua calda sanitaria 1 sistemi operanti ad anidride carbonica s1 dimostrino molto competitivi in quanto le prestazioni fornite in determinate condizioni operative sono superiori rispetto a quelle degli Impianti operanti con 1 refrigeranti tradizionali Grazie alle elevate potenze termiche che si possono ottenere con cicli a compressione transcritici questi possono trovare impiego nelle applicazioni in cui richiesta un elevata potenza termica condomini o piccole comunit alberghi ospedali scuole o impianti sportivi come pure nell industria alimentare che sfrutta grandi volumi di acqua sanitaria a temperatura elevata La pompa di calore geotermica progettata in grado di sviluppare al gas cooler una potenza pari a 32 5 kW e fornisce all impianto l acqua ad una temperatura di 60 C attraverso il circuito termodinamico schematizzato in Figura 8 1 80 bar 0 C aL 32C 30 bar
23. e Ai va 60 7 Uscita acqua 0 7 TE 40 20 A Ca p ingresso atqua POSIZIONE LUNGO LA SUPERFICIE DI SCAMBIO Figura 4 18 Profili di temperatura per la CO e per 1 R134a relativi allo scambio termico con l acqua in impianti a pompa di calore 16 Il vantaggio di sfruttare profili di temperatura ben accordati tra 1 fluidi lungo lo scambiatore si traduce in minori perdite energetiche durante lo scambio termico proporzionali alla differenza di temperatura fra 1 due fluidi tale riduzione delle perdite costituisce un fattore decisivo per assicurare coefficienti di effetto utile maggiori rispetto a quelli realizzati da impianti operanti con fluidi tradizionali 4 4 2 Sistemi di refrigerazione commerciale La refrigerazione commerciale comprende una grande variet di impianti che include sia le piccole unit indipendenti di limitata potenza che 1 sistemi complessi caratterizzati da elevate potenze frigorifere fino a centinaia di kW per la produzione del freddo a differenti livelli di temperatura Tradizionalmente vengono utilizzati fluidi come l R502 e l R404a refrigeranti sintetici caratterizzati da problematiche ambientali derivanti dalla loro immissione nell atmosfera terrestre Una soluzione a tale problematica rappresentata dall adozione dell ammoniaca che tuttavia presenta un elevata tossicit che ne impedisce l utilizzo estensivo nonostante le ottime propriet termodinamiche per la produzion
24. essere sicuro non tossico e non infiammabile gt il fluido non deve essere dannoso per l ambiente per non aggravare i problemi legati all effetto serra e al buco dell ozono Poich un fluido che soddisfi tutte queste caratteristiche contemporaneamente non esiste si sempre cercato di trovare 1l fluido migliore a seconda delle esigenze del periodo storico nel quale ci si trovava e per l applicazione richiesta 3 2 Designazione numerica dei refrigeranti All interno di una normativa redatta dall ASHRAE associazione statunitense degli operatori della refrigerazione e condizionamento dell aria vengono indicati 1 criteri per la classificazione e la denominazione dei fluidi frigorigeni si tratta della norma ANSTYASHRAE Standard 34 1992 dal titolo Number Designation and Safety Classification of Refrigerants I fluidi frigoriferi vengono rappresentati dalla lettera R seguita da una stringa alfa numerica Per 1 prodotti puri derivati da metano etano o propano per sostituzione degli atomi di idrogeno con atomi di fluoro o cloro la stringa costituita da due o tre cifre R XYZ secondo la seguente regola 12 la prima cifra rappresenta il numero di atomi di carbonio nC della molecola diminuita di un unit X nC 1 se X 0 come per 1 derivati del metano la prima cifra si omette la seconda cifra Y indica il numero degli atomi di idrogeno nH nella molecola aumentato di un unit Y nH 1 secondo questo criterio 1 composti
25. her P TAMA f v 1 20 x7 A p g E x I 70 00 YA AAAA pe TA 0 00 9 AMAREZZA K AZI y A VI A X CX YA f 60 00 AA RALAZZALLIAI A s EAA AANA N TA wii e VI A LA ni UAC VR VIVAI v a A y e A i A 50 00 FAVARA bi AAT Y A A x A p L 7 Y i 7 A j A y X 00 y A CA A A 3 AA ALAA LA xi KIN y Yy A Vy K AN A i A A tA A i E AUENA j V l T 20 VA si y LA IAA YI Lo x VAT V Tai A AF 1 am AVA DHT MAI Pa AIA AE Ti r 177 A Di lat VERA AYA VYA AT VAAN fi E YI N A AA L WA F i A E AI t Tg j i Fi A y td ji al y i P i f VA A Ay si IVIT VIXI V A LAYIII LA A A rA LITIA 2100 tro dint a ET E e 20 4 D N 20 100 11 140 R DI 320 4 0 0 Enthalpy MJ kg 5 Figura 4 14 Diagramma di Mollier per l anidride carbonica I refrigeranti tradizionali vengono scelti in modo da condensare alle condizioni medie in cui si trovano tipicamente acqua ed aria ovvero fra 1 30 C ed 1 60 C per l acqua e fra 1 15 C ed 1 35 C per l aria questo richiede che il punto critico sia caratterizzato da una temperatura molto pi elevata rispetto ai valori sopra citati solitamente nell intervallo 80 C 110 C Se s1 considera invece come fluido refrigerante l anidride carbonica si intuisce subito come la temperatura critica pari a 30 98 C sia troppo bassa per permetterne un raffreddamento signi
26. in cui tutti gli atomi di idrogeno vengono sostituiti da cloro e fluoro sono caratterizzati dall avere come seconda cifra il numero 1 la terza cifra Z indica il numero di atomo di fluoro che sono presenti nella molecola Z nF 40 Il numero di atomi di cloro nCl presenti nella molecola ricavabile sottraendo la somma degli atomi di fluoro e idrogeno dal numero totale di atomi che possono legarsi al carbonio I derivati dell etano e del propano ammettono isomeri ovvero composti con la medesima composizione chimica ma struttura molecolare diversa per distinguere 1 diversi isomeri si completa la stringa alfanumerica con una o pi lettere minuscole I fluidi frigorigeni in forma di miscele pluricomponenti sono raggruppati nelle serie R 400 miscele zeotropiche e R 500 miscele azeotropiche in questo caso il numero definisce una miscela costituita da determinati componenti mentre una lettera maiuscola che pu seguire tale sigla corrisponde ad una diversa composizione della stessa miscela Ai prodotti inorganici utilizzabili come fluidi frigorigeni riservata la serie R 700 il numero identificativo del prodotto si ottiene aggiungendo a 700 la massa molecolare relativa della particolare sostanza per esempio R 717 per l ammoniaca R 718 per l acqua R 744 per l anidride carbonica La R 600 infine riservata a prodotti miscellanei Nella stessa norma vengono riportate anche le sei classi in cui sono suddivisi 1 fluidi in base alle
27. in funzione della temperatura che decresce rapidamente vicino al punto critico Il rapporto fra la densit di liquido e vapore nettamente inferiore rispetto agli altri fluidi frigorigeni A 0 C per esempio il rapporto tra la densit del liquido 927 kg m e la densit del vapore 98 kg m per l anidride carbonica circa 10 mentre PR410a e TYRI34a presentano rispettivamente rapporti uguali a 65 ed 89 Figura 4 7 1200 i I i I T I T L l 14MPa 1000F R 12 MPa 10MPa ia MPa 890 ACIN 4 MPa J LA a mm N I E N gt 600 l ON amp dl i i kA Ma J 2 i no i Ma s 400 l MONG x y n Sa e Sa T Te N I NL eni 200 uo a moon 0 i 20 O 20 40 50 ag 100 120 T C Figura 4 6 Densit dell anidride carbonica 14 54 Il rapporto fra le densit riveste un ruolo molto importante nello scambio termico all interno dell evaporatore poich la maggiore densit del vapore aumenta la capacit volumetrica di scambio termico definita come prodotto tra densit del vapore e calore latente di vaporizzazione te 1 vi I 1 F R f17 J R 134a R 12 ae R d07lc R 22 R 290 E H 4104 R 44 100 Figura 4 7 Rapporto fra densit di vapore e liquido saturo in funzione della temperatura 14 Come mostrato in Figura 4 8 la capacit volumetrica di refrigerazione dell R744 rappresentata per definizione fino al punt
28. la differenza fra ciclo subcritico e ciclo transcritico dell R744 all interno del diagramma Log p h RT mar er erat Piede Peg aa POSTI SC 1 fE ET Siepe L Rota 1 I im api 50 LAMINAZIONE ALDO ESPANSIONE Cal ei i F F a j EnA a il p i J CONDENSAZIONE Pressure Bai ALLO ALDO Fndhekry kV Figura 4 15 Confronto fra ciclo subceritico e ciclo transcritico per la CO2 61 4 3 1 La pressione ottimale del ciclo transcritico Un importante propriet del ciclo transcritico la presenza di un valore ottimale della pressione al gas cooler che massimizza 11 valore del COP Come si nota in Figura 4 16 ponendo come condizione la costanza della temperatura di uscita dal gas cooler se si passa dal ciclo 1 2 3 4 con una pressione massima di 90 bar al ciclo 1 2 3 4 con pressione di 100 bar sia l effetto frigorifero Qo che il lavoro di compressione L aumentano rispettivamente delle quantit AQ e AL II COP pu crescere o diminuire a seconda di quale dei due incrementi risulta maggiore esiste quindi un punto che massimizza il COP L esistenza di un valore ottimale di pressione al gas cooler causato anche dall andamento delle linee isoterme e di quelle isoentropiche nel piano T s e dipende dalla temperatura di evaporazione dal rendimento isoentropico del compressore dalla temperatura di uscita del gas cooler e dall eventuale surriscaldamento del vapore all ingresso del compr
29. laterali 1l primo fissato alla schiena ed al basamento della pompa di calore 128 tramite sei viti autofilettanti 03 5 a testa bombata e impronta a croce i secondi sono fissati inferiormente al basamento tramite tre rivetti monobolt ed alla parete posteriore tramite una vite autofilettante inserita su una particolare linguetta ricavata sulla parte superiore di ogni pannello e due viti M5x10mm serrate in posizione centrale su appositi inserti filettati M5 a testa esagonale Figura 6 60 Figura 6 60 Fissaggio del pannelli posteriore e dei pannelli laterali In seguito sono stati posizionati 11 pannello anteriore e quello di copertura che permettono la totale chiusura dell impianto il primo viene unito al basamento attraverso tre viti M5x10Omm mentre viene agganciato ad ogni pannello laterale con una vite M5x40mm il secondo fissato ai pannelli laterali tramite quattro viti M5x40mm ed al pannello anteriore tramite tre viti M5x10mm Per il serraggio sulle lamiere sono stati nuovamente impiegati inserti filettati M5 esagonali Figura 6 61 Figura 6 61 Chiusura della pompa di calore 129 Come si nota in Figura 6 62 sul pannello di copertura sono stati inseriti una tastiera per la gestione dell impianto da parte dell utente ed una maniglia di sicurezza a comando esterno Socomec essa permette la messa in sicurezza del circuito elettrico in bassa tensione per le operazioni di manutenzione nei sistemi ibridi che pres
30. loro caratteristiche di tossicit ed infiammabilit A1 A2 A3 B1 B2 B3 I termini A e B contraddistinguono la tossicit di un prodotto le cifre 1 2 3 riguardano l infiammabilit Classe A fluidi frigorigeni per 1 quali non sono stati individuati effetti tossici per una concentrazione in aria minore o uguale a 400 ppm Classe B fluidi frigorigeni per 1 quali vi evidenza di effetti tossici per una concentrazione in aria minore di 400 ppm Classe l fluidi frigorigeni che non presentano propagazione di fiamma in aria ad 1 atm e 21 C Classe 2 fluidi frigorigeni moderatamente infiammabili in aria a 1 atm e 21 C Classe 3 fluidi frigorigeni altamente infiammabili in aria a 1 atm e 21 C 41 3 3 I fluidi naturali I fluidi refrigeranti naturali sono l ammoniaca l anidride carbonica l acqua e gli idrocarburi L inizio della loro applicazione risale alla met del diciannovesimo secolo quando furono introdotti 1 nuovi sistemi di refrigerazione nel 1834 Perkins introdusse il primo refrigerante l anidride solforosa Tra il 1840 e il 1920 1 refrigeranti pi diffusi erano l ammoniaca NH3 per sistemi statici di media e grande taglia l anidride solforosa SO2 per sistemi domestici e piccoli impianti commerciali e l anidride carbonica CO2 per installazioni navali condensate ad acqua Gli idrocarburi sono ancora molto presenti nella refrigerazione industriale ma anche in quella domestica e in alcune unit di con
31. m K 2156 Fouling resistance 10000 m KW 00 Margine 9 69 Mean Temperature Difference K 40 Direzione relativa del fluidi Countercurrent Number of passes d q Materialpiastra brazing Alloy 316 Cu ConnessioneS2 Cold Out Filettato esterno 1 1 4 ISO 228 1 G V24 Alloy 304 ConnessioneS3 Hot In Saldatura 21 7 J21XP Alloy 304 ConnessioneT2 Cold In Filettato esterno 1 1 4 ISO 228 1 G V24 Alloy 304 ConnessioneT3 Hot Qut Saldatura 21 7 J21XP Alloy 304 Codice Pressione PED Design pressure at 10 0 Celsius Bar 130 130 Design pressure at 150 0 Gelsius Bar 130 130 Design temperature 10 0 150 0 Overall length x width x height mmo 279x160 x 582 Net weight empty operating kg 53 5 604 Package length x width x height mmo xx Package weight kg Physical Properties Hot side Cold side inlet outlet Liquid Vapore Liquid Dens 153 8 652 1 998 8 982 2 Cal Specifico 1 441 7 609 4 197 4 174 Visc 0 0202 0 0501 1 14 0 465 Cond Term 0 0282 0 0765 0 595 0 653 Tabella 6 3 specifiche tecniche del gas cooler AXP52 74H F Tale scambiatore deve operare in condizioni assai critiche soprattutto per quanto riguarda la pressione di progetto perci presenta una struttura diversa rispetto al normali scambiatori saldobrasati come rappresentato in Figura 6 23 le piastre brasate sono racchiuse fra due pareti in acciaio AISI 316 collegate tramite barre filettate 916 necessarie a mantenere l assieme stabile anche per elevate
32. materiale che rappresenta l attitudine di una sostanza a trasmettere 1l calore misurata in m s In un sistema geotermico dove importante trasferire energia dal terreno a bassa temperatura ad un edificio a temperatura pi alta elevati valori di diffusivit termica del sottosuolo permettono di ottenere elevati rendimenti di trasferimento dell energia dato che il sistema di captazione del calore richiede un lavoro minore 24 Sottosuolo povero e sedimenti secchi 20 Sottosuolo roccioso e sedimenti poveri di acqua 50 Roccia consolidata con elevata conducibilit 70 Ghiaia e sabbie secche Ghiaia e sabbie sature di acqua Ghiaia e sabbia con notevole flusso di acqua di falda 80 100 Argilla 30 40 Calcare 45 60 Abr 55 65 Rocce magmatiche silice grant 55 70 Questi valori possono variare significativamente a seconda della struttura presenza di fessure ed alterazioni Tabella 2 1 Resa termica di diverse tipologie di terreno 5 La conoscenza geologica del sottosuolo assume pertanto un importanza fondamentale per un corretto dimensionamento di qualsiasi sistema di cattura del calore garanzia di un funzionamento continuativo nel tempo dello scambiatore geotermico La progettazione dei campi di sonde geotermiche segue due diversi approcci quello basato sulla potenza estraibile da un unit di sonda e quello pi generale basato sulla quantit di energ
33. pi favorevole a tale scopo si prestano 1 cunicoli che circondano 1 piani interrati delle abitazioni o 1 vespal areati Figura 1 8 All interno di questi ambienti il riparo offerto dalle strutture e l apporto termico dell abitazione e del terreno circostante mantengono una temperatura pi elevata in inverno e pi bassa in estate rispetto all ambiente esterno si ottiene cos aria in aspirazione alla pompa di calore preriscaldata in inverno e raffrescata in estate a vantaggio dell efficienza dell intero impianto Le pompe di calore aria acqua Figura 1 9 riscaldano o raffreddano l acqua contenuta in un circuito che trasporta calore nelle varie zone da climatizzare vengono solitamente utilizzati fan coils oppure pannelli radianti che riescono a sfruttare al meglio le basse temperature tipiche delle pompe di calore ad aria Figura 1 9 Impianto di una pompa di calore aria acqua 6 Gli impianti che sfruttano l aria come sorgente trovano le condizioni pi favorevoli per 1l loro impiego nelle zone a clima temperato tipiche della maggior parte delle regioni italiane essi presentano inoltre il vantaggio di non richiedere elevati costi di investimento a differenza delle pompe di calore a sorgente geotermica 13 1 4 2 La sorgente acqua Le pompe di calore possono sfruttare l acqua come sorgente di calore esterna a bassa entalpia l acqua utilizzata per il processo termico pu essere superficiale mare
34. posizionamento di tubazioni captanti su una vasta superficie profondit variabile fra 1 m e 2 5 m dal piano campagna Le sonde verticali vengono preferite quando la disponibilit di terreno destinato al cantiere edile limitata 11 costo delle perforazioni elevato e il posizionamento delle sonde deve essere molto accurato Le soluzioni orizzontali si applicano quando gli spazi disponibili in prossimit dell edificio sono ampi poich l estensione della superficie captante proporzionale alla potenza termica della pompa di calore 1l costo complessivo di escavazione del terreno per predisporre l area alla posa delle tubazioni poco significativo e la messa in opera dell impianto non richiede particolari competenze tecniche La temperatura di riferimento del sottosuolo in prossimit della superficie influenzata dalle condizioni meteorologiche esterne nel periodo invernale si possono raggiungere temperature prossime a 5 C minori di circa 5 6 C rispetto a quelle riscontrabili a profondit superiori ai 15 m dal piano campagna Per ovviare al minore salto termico disponibile 1 sistemi di captazione orizzontale vengono progettati a parit di potenza termica con un numero di metri di sonda maggiore rispetto alle equivalenti soluzioni verticali Il loro utilizzo impone inoltre dei vincoli allo sfruttamento futuro dell area superficiale captante poich non possibile costruire manufatti piantare alberi ad alto fusto o pia
35. quanto aumenta la potenza utile di riscaldamento perci la pressione ottimale richiesta al gas cooler non coincide con la pressione massima di mandata raggiungibile dal compressore JU i si H p e 40 16 T Capacity ia 0 i F pr z eni 220 45 Sb i UN l a 3 Compressor Ciian L shali Pow Pressun k j 70 Xi T 100 10 120 I ischargce Pressure bar Figura 4 17 Relazione fra potenza utile e potenza dissipata al variare della pressione di scarico 63 4 4 Le principali applicazioni dell anidride carbonica Le possibili applicazioni del sistemi transcritici ad anidride carbonica riguardano sia il mercato della refrigerazione industriale ed alimentare sia 1l mercato del condizionamento domestico in particolare nel settore degli impianti di riscaldamento dell acqua calda sanitaria inoltre tali sistemi sono ampiamente utilizzati negli impianti di condizionamento dell automotive 4 4 1 Pompe di calore per la produzione di acqua calda sanitaria Il possibile mercato delle pompe di calore per il riscaldamento dell acqua sanitaria molto ampio circa il 20 dell energia utilizzata nel residenziale e negli ambienti commerciali impiegata per il riscaldamento dell acqua I cicli transcritici ad anidride carbonica garantiscono il raggiungimento di temperature dell acqua sanitaria oltre 1 90 C Ci permette di assicurare il trattamento contro la legionella senza l ausilio di termo res
36. riguarda la loro efficienza e l influenza delle temperature massima e minima sul loro funzionamento L efficienza di un ciclo inverso a pompa di calore rappresentato dal Coefficient of Performance COP dato dal rapporto fra effetto utile ossia la cessione di calore a temperatura T2 ed energia necessaria per ottenerlo ossia il lavoro netto richiesto dal compressore effetto utile lavoro speso COP Un alto coefficiente di prestazione allora indice di buon funzionamento poich significa che occorrono piccole quantit di lavoro per ottenere l effetto frigorifero desiderato Indichiamo quindi 11 valore del COP del ciclo di Carnot inverso 1 COP 7 Il coefficiente di prestazione del ciclo di Carnot quindi funzione delle temperature dei due serbatoi che possono variare da zero ad infinito Un basso valore di T2 comporta un alto valore del coefficiente di prestazione dall altra parte un valore elevato di T4 produce una riduzione del denominatore con effetto benefico sul COP In conclusione per avere 11 minimo assorbimento di potenza per una data capacit termica utile occorre m mantenere la temperatura di condensazione pi bassa possibile m mantenere la temperatura di evaporazione pi alta possibile Non per possibile scegliere a proprio piacimento la temperatura massima e quella minima al fine di raggiungere il massimo COP poich esse devono sottostare a precisi vincoli T4 deve essere infe
37. simulazione di sistemi calcolo delle condizioni operative di un sistema noti 1 componenti valutazione del Coefficient ot Performance di un sistema in base ai dati di input L analisi del ciclo transcritico stata effettuata considerando il pi semplice degli schemi impiantistici di riferimento ovvero il ciclo operante ad un livello di compressione Esso costituito da quattro elementi principali e evaporatore e compressore e gas cooler e valvoladilaminazione Lo scopo dello studio consiste nel determinare quali sono le variabili termodinamiche del ciclo che influenzano maggiormente 1l COP al fine di individuare 1 parametri progettuali da cui partire nella scelta dei componenti Prima di iniziare la simulazione stato necessario fare una serie di ipotesi gt temperatura di evaporazione 3 C 68 gt gas cooler costituito da uno scambiatore controcorrente in modo da aumentare la potenza termica scambiata fra 1 fluidi di processo gt temperatura di avvicinamento Tapproach 3K essa la differenza fra la temperatura dell anidride carbonica in uscita dal gas cooler e la temperatura di ingresso del fluido da riscaldare gt surriscaldamento di 5K per garantire la presenza di gas all aspirazione del compressore gt assenza di perdite di carico lungo l intero circuito Vv rendimento isoentropico del compressore unitario caso ideale gt scelta di valori della pressione p gt 74 bar in m
38. unilab eu 56 http www ferrol it 57 http www pompedicalore org 58 http www coaer it 59 http www hakagerodur ch 60 http www ingdipietrantonio it 61 http www geologiweb it 62 http www parker com 63 http www tempco it 64 http www technosystem it 154
39. 0 IN Diameter 16 00 IN Diameter 921 00 AC N A NAs O ZZZITI ana PEN s GE FALILI CELL 3 Te lb qptimpuemze uni Figura 6 1 Compressore Copeland Stream 4MTL 12X 81 Il modello AMTL 12X rappresentato in Figura 6 1 permette di raggiungere una pressione di progetto di 135 bar garantendo allo stesso tempo un basso livello di rumorosit e vibrazioni esso inoltre dotato di inverter che assicura la modulazione della potenza elettrica assorbita in base ai parametri di pressione e temperatura richiesti dall utenza I compressori Stream si distinguono dai compressori alternativi tradizionali presenti sul mercato per l adozione della tecnologia delle valvole Discus che garantiscono importanti vantaggi in termini di efficienza Il nome di tale tecnologia deriva dalla forma conica della valvola di mandata Figura 6 2 quando chiusa essa rimane a livello con la piastra valvole riducendo al minimo lo spazio nocivo quando il pistone si trova nella parte superiore del cilindro a differenza delle valvole a lamelle tradizionali o reed la cui configurazione impedisce al pistone di avvicinarsi alla parte superiore del cilindro Le valvole Discus permettono cos al gas di fluire nei cilindri con un minimo aumento di temperatura e riducono al massimo le perdite di pressione attraverso il corpo valvola oltre alle perdite termodinamiche causate dal volume di riespansione Figura
40. 12 Prestazioni termiche del preparatore istantaneo Set 25 Fiorini 28 Il termoaccumulo oltre a stoccare l energia che verr utilizzata quando necessario svolge anche la funzione di volano termico per la fonte energetica primaria riducendone il numero di accensioni e spegnimenti per questo motivo bene verificare che il volume del termoaccumulo sia maggiore di quanto consigliato dal costruttore della fonte primaria Nella Tabella 7 1 viene proposta una raccolta di abbinamenti per applicazioni tipiche residenziali in abbinamento a pompe di calore Abitazione singola Abitazione singola it ______ _____ ____m_m _ P_i 6 8kW 45 Tabella 7 1 Volume del termoaccumulo per applicazioni residenziali 28 Gli abbinamenti sono calcolati con consumi nel periodo di punta di 60 litri a persona per le abitazioni singole 250 litri ad appartamento con servizio singolo e 148 350 litri ad appartamento con servizi doppi considerando un coefficiente di contemporaneit unitario In Figura 7 13 schematizzato un impianto di riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria tramite un gruppo costituito da un Puffer integrato da un serpentino che preleva energia termica da un pannello solare collegato ad un preparatore istantaneo Descrizione Pompa di calore o fonte primaria Descrizione Descrizione Pannello solare Termoaccumulo Puffer Pompa 7 Scarico Pompa anello ricircolo sanitario Valvola
41. 2 la CO torn ad essere utilizzata anche se solamente in impianti a cascata insieme all ammoniaca All inizio degli anni Trenta 1 nuovi fluidi refrigeranti sintetici entrarono in commercio e causarono un rapido declino dell anidride carbonica anche per la sua bassa efficienza energetica e per la notevole diminuzione della potenza refrigerante all aumentare della temperatura dell ambiente esterno Solo il diffondersi di una nuova sensibilit ambientalista sviluppatasi negli ultimi anni hanno messo in crisi l utilizzo dei fluidi sintetici e portato ad una riscoperta dell anidride carbonica Nel 1990 Gustav Lorentzen propose un impianto di condizionamento per autoveicoli funzionante mediante un ciclo transcritico ad R744 A partire dell introduzione di questo nuovo ciclo transcritico si sono diffusi 49 molti studi sull utilizzo dell anidride carbonica in particolare per impianti di refrigerazione industriale 4 2 Le propriet dell anidride carbonica La CO presente in atmosfera allo stato gassoso con percentuali vicine allo 0 035 vanta una serie di caratteristiche ideali per ci che concerne 1l suo utilizzo nelle pompe di calore a compressione di vapore nonostante la bassa concentrazione in atmosfera facilmente reperibile ad un costo piuttosto basso poich un prodotto di scarto di numerosi processi tecnologici caratterizzata da un coefficiente di Global Warming Potential GWP 1 Il suo impatto ambiental
42. 4 3 104 pseudocritica poich proporzionale al calore specifico ed 11 valore di tale massimo decresce con la pressione Nella zona supercritica per temperature superiori a 60 C 11 numero di Prandtl aumenta all aumentare della pressione mentre sotto 1 20 C tale dipendenza si inverte 12 j fa 14 MPa 10H i 12 MPa Li 10 MPA I i 8 Mpa I gL J 4 MPa pi il iI el I A ce l pl 4 E Li Fia i Sa a 0 rali che ofa e E mr Tm 0 20 O 20 40 60 g 100 120 T C Figura 4 13 Numero di Prandtl dell anidride carbonica 14 59 4 3 Il ciclo frigorifero transcritico ad anidride carbonica Uno dei principali criteri di valutazione di un fluido frigorigeno l analisi del suo punto critico ovvero il punto nel quale il vapore non distinto dal liquido coincidente con il massimo della curva di saturazione in un diagramma di Mollier Log p h Figura 4 14 Mi 0 R744 itve reyoniio Tintsasdyran opidi tn 1 j osi Co aoh pro Dspumew ef Ewig Pagine ng f l f T l gt f j gi i 7 AT rap vaja bg ars A y bo n ii SA r x A XA K RAC N MJ Seven EIN Eass IIF I j l I Ad a Ea TAN i j j d A LAI x 2 Desa y x XA se er j D A gip 100 004 al f y de A y j 7 Lot AA AA XA 50 00 x fori ANA H w7 AN j X Y A gt e f Ax N 00 Pi LA 80 00 TATE rA KAN A IN X IN La Y y
43. 44 accumulo dotato di uno scambiatore a tubo liscio interno per l inserimento di un ulteriore fonte energetica ad esempio solare e scambiatore immerso per la produzione istantanea di acqua sanitaria accumulo dotato di due scambiatori a tubo liscio interni per l inserimento di due ulteriori fonti energetiche ad esempio solare e termocamino e scambiatore immerso per la produzione istantanea di acqua sanitaria Serpentino sanitario Serpentino sanitario Serpentino sanitario Domestic water coil Domestic water coil Domestic water coil Legenda attacchi Coupling key 1 Infout acqua sanitaria 2 Collegamento impianto gt 3 Termo kit per Combi e puffer 4 Portasonda 5 Sfiato 6 Fonti ausiliarie 1 DHW in out 3 2 Plant connection 3 Thermo kit for Combi and Puffer 4 Probe holder 5 Pressure relief valve 6 Auxiliary sources Figura 7 9 Possibili configurazioni dei termoaccumuli Combi Fiorini 29 In Figura 7 10 schematizzato un impianto di riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria tramite un termoaccumulo Combi integrato da un serpentino che preleva energia termica da un pannello solare Ingresso acqua di rete Uscita a c s l LI Vea KXKXXX XKXXE gt PS M I x bal bat a Figura 7 10 Installazione tipo con Combi integrato da un serpentino 28 145 7 8 Preparatori istantanei di acqua calda sanitaria I preparatori istantanei sono prod
44. 5 C 3 C Figura 8 1 Schema dell impianto per la produzione di acqua termosanitaria Poich il compressore transcritico richiede una potenza elettrica uguale a 10 KW si ottiene un COP pari a 3 25 che permette di accedere agli incentivi statali destinati agli impianti alimentati da fonti rinnovabili dedicati alla produzione di acqua sanitaria 150 La pompa di calore nell applicazione analizzata in questa tesi viene inserita all interno dell impianto rappresentato in Figura 8 2 che si avvale di un preparatore istantaneo abbinato ad un termoaccumulo Puffer integrato da un serpentino collegato ad una fonte di energia termica secondaria costituita ad esempio da un pannello solare Grenze Lieferung Gruppe SET TU eh ie 9 i i L Figura 8 2 Schema dell impianto per produzione di acqua calda sanitaria Poich l utilizzo dell anidride carbonica nei sistemi a pompa di calore in continua evoluzione e fortemente legato al livello di innovazione raggiunto dai compressori transcritici e dagli scambiatori di calore a piastre saldobrasati questa tesi cerca di rappresentare un punto di riferimento per 1 progettisti che in un futuro prossimo decidano di concentrare la propria attenzione sullo sviluppo di un sistema innovativo basato sul completo utilizzo di fonti di energia rinnovabile per il riscaldamento domestico o la produzione di acqua sanitaria Per questo motivo si cercato di realizzare una trat
45. 5 4 Dipendenza del COP dal rendimento isoentropico di compressione Data la forte dipendenza del COP da tale rendimento evidente nel grafico di Figura 5 4 risulta fondamentale in fase di progettazione la scelta del compressore 74 ottimale che permetta il raggiungimento della pressione di mandata richiesta garantendo allo stesso tempo una potenza elettrica spesa non troppo limitante per il COP 5 3 4 Temperatura di evaporazione L ultimo parametro progettuale studiato la temperatura d evaporazione durante questa fase della simulazione essa stata incrementata a passi di 1 C nell intervallo compreso fra 10 C e 10 C mantenendo costanti le altre grandezze e pressione di uscita dal compressore 75 bar e temperatura di uscita del fluido dal gas cooler 28 C e rendimento isoentropico del compressore 75 In questo modo stato possibile osservare come valori troppo bassi di tale temperatura limitano l effetto utile del ciclo Figura 5 5 poich si verifica un allontanamento delle due pressioni limite questo comporta un incremento del lavoro richiesto al compressore mentre lo scambio di calore utile al gas cooler si mantiene inalterato La scelta del valore ottimale di questo parametro una fase molto delicata della progettazione poich in base alla temperatura minima che si desidera garantire necessario adottare una diversa configurazione della sorgente fredda che pu essere aria acqua oppure una so
46. 6 2 Dettaglio delle valvole Discus nei compressori Stream 17 N Nella Figura 6 3 presente una fotografia della sezione della testata del compressore in cui possibile osservare la disposizione delle valvole a forma conica 82 scopata Figura 6 3 Particolare della sezione del compressore Un altro punto di forza rappresentato dal basso livello di rumorosit con valori di 7dBA inferiori rispetto agli altri compressori presenti sul mercato Tale riduzione delle emissioni acustiche non per sufficiente per applicazioni particolarmente sensibili come ad esempio quelle urbane di conseguenza possibile applicare un involucro per l insonorizzazione denominato Sound Shell che consente un attenuazione aggiuntiva di 15 dBA come si nota dal grafico di Figura 6 4 Livello di rumorosit nel mercato Ii ream Sen aiea COM pund shell ound shell Figura 6 4 Rumorosit dei compressori Stream in dBA 17 83 DI Esso costituito da tre componenti principali Figura 6 5 che ne facilitano l assemblaggio e consentono l accesso rapido ai componenti chiave del compressore come la valvola di manutenzione dell olio o 11 pulsante di reset della diagnostica CoreSense che verr descritta in seguito Per costruirla sono state utilizzate tecniche di progettazione e materiali all avanguardia derivati dal settore automobilistico 1 componenti stampati ad iniezione a bassa pressione consenton
47. ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA SCUOLA DI INGEGNERIA E ARCHITETTURA Sede di Forl CORSO DILAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Classe LM 33 TESI DILAUREA In Termofluidodinamica Avanzata LM PROGETTAZIONE DI UNA POMPA DI CALORE GEOTERMICA A CO PER PRODUZIONE DI ACQUA CALDA SANITARIA CANDIDATO RELATORE Alberto Vitali Prof Marco Lorenzini Anno Accademico 2012 2013 III Sessione INDICE INEFOAUZIONE roccie ae si Pag 1 CAPITOLO 1 J l Ilcerclonverso di Carnof ssaa Pag 4 t 2 Mleicloinverso standard iaia Pag 7 1 3 Classificazione delle pompe di calore 00 Pag 8 1 3 1 Pompe di calore a compressione meccanica di vapore Pag 8 1 3 2 Pompe di calore ad assorbimento Pag 10 1 4 Le sorgenti delle pompe di calore a compressione Pag 12 JA LA S0FECNICATA irrita ao Pag 12 L42 La soreenicac Massini iis Pag 14 Ji4 5 La sorsente scotermica circadian Pag 17 1 5 Vantaggi e limiti delle pompe di calore Pag 20 CAPITOLO 2 2 1 Lo scambio termico nel suolo scri Pag 23 2 2 Le sonde geotermiche Verticali css zine ea Pag 27 Z gt 5 Lligiidiantisclo srspre loreto Pag 34 2 4 Le sonde geotermiche orizzontali xs siria Pag 35 CAPITOLO 3 3 1 Introduzione al fluidi frigoriferi sscecisicioisinroiiesnauresiianenn i iian Pag 39 3 2 Designazione numerica dei refrigeranti 000 Pag 40 p
48. C dal 2004 riduzione del 35 dal 20I0 riduzione del 65 dal 2015 riduzione del 90 dal 2020 riduzione del 99 5 dal 2030 divieto di produzione dal 2040 messa al bando anche nei Paesi in via di sviluppo Durante la Conferenza di Kyoto del 1997 si decise di includere anche 1 refrigeranti HFC tra le sostanze responsabili dell effetto serra e in particolare 1 R134a molto utilizzato negli impianti di climatizzazione mobile Per ridurre l effetto serra delle macchine frigorifere sono stati individuati 1 seguenti interventi e riduzione della carica o delle perdite di carica all interno dell impianto e miglioramento dell efficienza delle macchine frigorifere e ricerca di fluidi non nocivi per l ambiente ovvero privi di potenzialit distruttiva sull ozono stratosferico e con limitato impatto sull effetto serra 13 47 3 8 Le alternative ai fluidi sintetici Per 1 motivi ambientali elencati in precedenza necessario adottare fluidi in grado di sostituire 1 CFC e gli HCFC gt gli idrofluorocarburi gt 1 fluidi naturali Gli HFC sono innocui verso l ozono stratosferico dato che non contengono cloro o bromo nella molecola ma hanno un elevato potenziale di effetto serra perci anch essi sono stati inseriti nel Protocollo di Kyoto come fluidi candidati alla dismissione Tra 1 fluidi naturali sono da prendere in considerazione gli idrocarburi l ammoniaca e l anidride carbonica Il principale
49. Figura 1 12 si adotta in questo caso uno scambiatore a fascio tubiero costituito da tubi distanti tra loro almeno 4cm e da un sistema di protezione al fine di evitare intasamenti Tale sistema garantisce un ottimo scambio termico ma presenta non poche difficolt di realizzazione La soluzione pi utilizzata rappresentata dallo scambiatore installato direttamente nella pompa di calore in questo caso di adotta uno scambiatore a piastre alimentato con acqua di sorgente a perdere in caso di circuito aperto oppure dal fluido termovettore del circuito chiuso intermedio 16 Dalla PAC Alla PAC Temperatura acqua a canali j Dt out re Temperatura C b b A Dalla Pde Alla Pdc Figura 1 12 Funzionamento dello scambiatore posto nel corso di un fiume 5 Anche l utilizzo delle acque superficiali richiede un analisi della qualit delle acque che comporta una progettazione accurata dell intero sistema nonch il rispetto di iter burocratici per l ottenimento delle autorizzazioni necessarie 1 4 3 La sorgente geotermica L energia geotermica immagazzinata nella crosta terrestre e pu essere estratta dalle pompe di calore attraverso dei sistemi di sonde L energia geotermica la somma di due componenti principali il calore proveniente dagli strati pi profondi della Terra ed il calore proveniente dall ambiente esterno originato dal Sole Figura 1 13 Figura 1 13 Fonti d
50. LI STAT ETITI TERA Scambiatore ansilrarto Evaporatore TH CONDENSATO Figura 4 19 Pompa di calore per l essicazione operante ad anidride carbonica 66 4 4 4 Condizionamento nell automotive Negli ultimi anni 1l settore in cui 1 cicli transcritici ad anidride carbonica sembrano suscitare il maggior interesse quello del condizionamento d aria degli autoveicoli Anche in questo campo infatti l adozione delle pompe di calore pu rappresentare un effettivo vantaggio sia per le auto elettriche il cui mercato si sta lentamente sviluppando sia per le autovetture con motore a combustione interna e per le auto a funzionamento elettrico 11 calore recuperato dal motore molto ridotto non trattandosi di un sistema a combustione interna per cui essenziale operare il condizionamento con apparati che sfruttino l energia elettrica e non pi il calore del motore e per le autovetture a combustione interna la pompa di calore pu essere molto utile dal momento che pu mettere a disposizione l energia termica senza dover attendere che 1l motore sia caldo Ogni anno pi di venti milioni di automobili vengono dotate di un sistema di condizionamento e tale numero destinato ad aumentare sia perch la richiesta di autoveicoli destinata a crescere sia perch il condizionatore divenuto oramai un componente di base o qualifier della vettura Gran parte di tali impianti utilizza come fluido frigorigeno 1
51. OP del ciclo 113 Pressione bar 30 VIVA A IZZO RIT ER FI AN 140 180 220 260 300 340 380 420 460 Entalpia kJ kg Figura 6 41 Regolazione della pressione ottimale in base alla caduta di pressione 6 4 4 Valvola termostatica Il sistema di laminazione basato sull utilizzo di una valvola termostatica Figura 6 42 caratterizzato da un controllo sul surriscaldamento del vapore in uscita dall evaporatore e costituisce la soluzione pi semplice da adottare bench non sia specifica per un ciclo transcritico Liian li Condenser p Compressor Ay s ntermal Heat Exchanger A Figura 6 42 Sistema di laminazione costituito da una valvola termostatica 21 Assicura una corretta portata in ingresso all evaporatore ma non adatta per operare il controllo e l ottimizzazione della pressione massima del ciclo che pu quindi risultare penalizzato a seguito di fughe di refrigerante o quando le 114 condizioni operative s1 discostano da quelle di progetto sempre tarate per ottimizzare il COP Tale soluzione risulta essere quindi la pi semplice da adottare ma anche la meno flessibile nell impiego 6 4 5 Tubi capillari Una soluzione alternativa alle classiche valvole di laminazione costituita dal tubi capillari Figura 6 43 ovvero tubi di diametro compreso fra 0 5 mm e 3 mm la cui lunghezza varia da 1 m a 6 m Essi sono solitamente avvolti a spirale e sono impiegati all interno di
52. Otherm Geothermal probe double U with factory welded U bend Peso de montaje Zavorra per l introduzione della sonda Weight to introduce the geothermal probe Relleno con mezcla de bentonita cemen to 0 STUWATHERM Riempimento con colata di bentonite e cemento o STUWATHERM Grouting with Bentonite Cement or STUWATHERM Figura 2 2 Schema di installazione di una sonda geotermica verticale fonte catalogo Haka Gerodur 9 28 La sonda geotermica per la sua posizione sotterranea non pu essere soggetta a cicli di manutenzione pertanto necessario realizzare questo tipo di installazione con materiali adeguati e con societ perforatrici di una certa esperienza Prima dell inizio della perforazione quindi buona norma chiarire 11 quadro geologico e scegliere l opportuna tecnica di perforazione Il materiale plastico che viene inserito nella perforazione costituito da una serie di elementi e latubazione e il piede sonda e il tubo di iniezione per la cementazione e lazavorra e i distanziali per tubi Ad eccezione della zavorra realizzata in ghisa e materiale metallico le altre componenti sono di materiale plastico Il materiale pi utilizzato 11 PEAD polietilene ad alta densit la cui struttura molecolare polimerica composta da atomi di carbonio ed idrogeno Esso presenta numerosi vantaggi di carattere meccanico ed idraulico maneggevolezza e leggerezza tenacit ottima resistenz
53. RITORNO INTERCETTAZIONE Z PRIMARIO 7 nn h ENTRATA A gps POMPA DI ACQUA FREDDA p E COIGENTATA RICIRCOLO SANITARIO A a Visa VALVOLA DI VALVOLA 4 SICUREZZA A SFERA DI CIRCUITO DI INTERCETTAZIONE RICIRCOLO _ SCARICO Figura 7 4 Preparatore rapido AFK Fiorini 28 Lo scambiatore abbinato all accumulo costituito da piastre corrugate in acciaio AISI 316 racchiuse da un incastellatura di contenimento in acciaio al carbonio verniciata serrata da tiranti in acciaio zincato le piastre sono isolate tra loro da guarnizioni in NBR La turbolenza dei fluidi che scorrono internamente tale da rendere 1 coefficienti di scambio termico in genere molto elevati ci consente di ottenere grandi potenze con ingombri minimi e pesi ridotti 7 6 Bollitori a serpentino I bollitori sono progettati per produrre acqua calda ad uso sanitario negli impianti che lavorano a bassa temperatura la struttura dell elemento di scambio termico in rame a serpentino estraibile alettato spiralato consente l ottenimento di una grande superficie di scambio termico contenendo al massimo l ingombro I bollitori Serie S Fiorini Figura 7 5 vengono realizzati con lamiere di acciaio saldate subiscono severi collaudi idraulici onde consentire una pressione di sercizio di 6 bar ad una temperatura massima di 65 C Successivamente 1 serbatoi vengono protetti internamente dalla corrosione con un trattamento di smaltatura alimentare Zetaflon ido
54. T UE AAVA UT bi SAUL HLA ui TT AIUTA 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 Enthalpy kJ kg y 7 RO LU FA lt Wl SNAN CN RUN di _l TESI PA Pan a m a Ns TI C a DE NOA N T SJ ENEN N Mit mas T CS CS i UIN z Nu A 4 p A y A MIEN i UNDINI ea IRINA LA IN QIN SY i 2 NS PT FUNDO Mb Bik ON LS y ZIA 7 x LIM NN A AN N Z 0 80 g 60 40 0 0 20 40 60 80 100 120 140 A zA Fi i N m Figura 5 6 Rappresentazione del ciclo ad R410a sul Diagramma di Mollier 76 All interno del confronto sono state rispettate per ogni simulazione le seguenti condizioni e uguale temperatura dell acqua in ingresso al gas cooler o al condensatore e uguale temperatura dell acqua in uscita al gas cooler o al condensatore e uguale temperatura dell acqua in uscita al gas cooler o al condensatore e uguale surriscaldamento del fluido in entrata al compressore pari a 5K e uguali rendimenti per il compressore e gli scambiatori di calore 5 4 2 Temperatura di condensazione nel ciclo subceritico Prima di esaminare 1 risultati del confronto fra i due fluidi frigorigeni interessante porre l attenzione su un parametro che influenza il COP nei cicli suberitici la temperatura di condensazione Essa si calcola sommando la ATapproach alla temperatura di uscita
55. V Rp1 Rp1 8 f 3830 min 8V A 337 SIRAAN dD 2 1890 t min 4 V Oo o ol fs T _ i 6 8 10 Q m h Figura 6 53 Curva caratteristica della pompa Wilo Stratos 23 123 Le pompe Wilo Figura 6 54 impiegabili in tutte le applicazioni di riscaldamento ventilazione e condizionamento da 10 C a 110 C sono dotate di una regolazione elettronica della prestazione tramite inverter che assicura 1l corretto funzionamento dello scambio termico al variare delle condizioni operative La girante in materiale sintetico PPE con fibra di vetro al 30 il corpo della pompa in ghisa grigia mentre l albero in acciaio inossidabile X46Cr13 le bocche della chiocciola presentano raccordi filettati per la connessione al tubi con filettatura gas G2 Figura 6 54 Disegno della pompa Wilo Stratos 30 1 12 124 Per evitare la formazione di condense sulle pareti delle tubazioni nel lato sanitario o la diffusione di piccoli cristalli di ghiaccio nel lato geotermico consigliato l utilizzo di coibentazioni in polietilene espanso Figura 6 55 applicate alle tubazioni attraverso l avvolgimento di appositi fogli spessi fino a 10 mm I A i _ x JE Di ET aaan Ln D gt i am KJ a Figura 6 55 Dettaglio delle coibentazioni applicate alle tubazioni dell acqua 125 6 6 Il pressostato differenziale Per evitare oscillazioni di pressione all interno del circuito termodinamico stato introdo
56. a alla corrosione da parte di molti agenti chimici stabilit delle caratteristiche meccaniche nel tempo tra 60 C e 70 C bassa scabrezza interna del tubo Dall altra parte ha delle caratteristiche non ottimali per le applicazioni geotermiche fra cui una bassa conducibilit termica 0 38 0 40 W mK che impone l impiego di materiali con spessori calibrati in modo da poter coniugare la resistenza meccanica alla conduttivit termica I diametri dei tubi utilizzati sono 1 seguenti e De25 per lunghezze sonda fino a 80 m e De32 40 per lunghezze sonda fino a 150 m In commercio sono presenti sonde a singolo U o doppio U Figura 2 3 in generale le sonde a singolo U hanno un diametro di 40 mm quelle a doppio U di 32 mm Queste ultime a parit di lunghezza presentano una superficie laterale di 29 contatto ed un contenuto di acqua maggiore rispetto alla soluzione a singolo U La sonda ad una guida ha il vantaggio di essere posata in foro a parit di diametro di pertorazione con un contenuto di miscela di cementazione maggiore in questo modo le tubazioni risultano meno influenzate reciprocamente dai fluidi caldi e freddi in transito garantendo uno scambio termico migliore con il sottosuolo Inoltre a parit di prestazioni risulta pi economica Figura 2 3 Sonda a singolo o doppio U fonte catalogo Haka Gerodur Le sonde geotermiche vengono progettate per resistere a una pressione massima di 16 bar perci han
57. accidentato che il fluido costretto a seguire responsabile diretta della turbolenza e della forza erosiva della corrente nonch della durata del contatto con la superficie e dello spessore dello strato laminare Le parti critiche dello scambiatore sono quindi quelle in cui la velocit pi bassa in alcune zone si possono avere anche dei punti di stasi con velocit praticamente nulle Di norma ci non avviene negli scambiatori a piastre nei quali si hanno sempre ottime distribuzioni di flusso Figura 6 15 Figura 6 15 Distribuzione del flusso turbolento fra le piastre Nella pratica gli scambiatori a piastre lisce hanno prodotto risultati estremamente validi con fluidi di ogni tipo poich le supertici perfettamente lisce delle piastre ostacolano 1l formarsi della pellicola di sporco o di calcare mentre il turbolatore sotto forma di rete ha con 1 suol continui movimenti dovuti alle dilatazioni termiche un marcato effetto disgregante ed autopulente nei confronti delle incrostazioni pi dure D altra parte 1 liquidi con particelle troppo grandi in sospensione diametri dell ordine del mm non sono adatti ad essere trattati con scambiatori a piastre Molto utilizzati nelle applicazioni estreme sono gli scambiatori di calore saldobrasati Figura 6 16 che presentano un elevata efficienza di scambio 92 termico e si adattano ad ogni genere di esigenza in particolare sistemi di raffreddamento chiller applicazi
58. accumulo prefissata sul termostato stesso il miscelatore provvede poi a regolare la temperatura d invio dell acqua calda agli apparecchi utilizzatori C R F m Miscelatore San v ii 9 O N i XK PA E 22 X O vu O a eD o_o mi Pompa N 5 L5 ricircolo EO 03 l eneratore di calore ___pq A TE Lago Pad Figura 7 6 Schema per la produzione di acqua calda con bollitore 27 I fasci tubieri Figura 7 7 sono costituiti da una piastra tubiera circolare che presenta un opportuna foratura per 1l fissaggio al bollitore e da tubi in rame o in acciaio AISI 304 piegati ad U che costituiscono l elemento di scambio termico questi sono fissati al centro della piastra mediante mandrinatura di tubi su piastre tubiere di grosso spessore L utilizzo standard prevede il funzionamento con acqua a temperatura non superiore ai 110 C alla pressione massima di 12 bar e m LUNGHEZZA Figura 7 7 Fascio tubiero Fiorini 28 143 7 7 Termoaccumuli Puffer e Combi I Puffer sono serbatoi inerziali per impianti di riscaldamento destinati allo stoccaggio di acqua calda non ad uso sanitario sono utilizzati negli impianti alimentati da fonte energetica discontinua pannelli solari caldaia a legna termocamino o laddove si renda necessario aumentare il volume d acqua contenuto nell impianto Impianti con pompe di calore cogenerator
59. ai tradizionali evaporatori ad espansione secca La soluzione di Figura 6 37 risponde all esigenza di alimentare gli evaporatori mediante tradizionali valvole termostatiche regolando allo stesso tempo la pressione massima del ciclo mediante una valvola back pressure quest ultima effettua una prima laminazione del fluido dalla pressione del gas cooler alla pressione intermedia del separatore di liquido il quale a sua volta alimenta una valvola termostatica che serve un comune evaporatore ad espansione secca p a a Condenser _ Compressor Internal Heat Exchanger t Ean in source out Figura 6 37 Sistema di laminazione composto da una valvola a retropressione seguita da una valvola termostatica con interposto un separatore di liquido 21 La carica di fluido deve essere tale da assicurare in ogni condizione operativa la presenza di una fase liquida nel separatore e da compensare le variazioni della portata stessa all interno del circuito in base alle diverse condizioni operative Il sistema illustrato dotato di valvole poste in serie e di un separatore di liquido permette di garantire all uscita della valvola back pressure condizioni di pressione tali da ottenere liquido saturo raccolto dal separatore di liquido 111 Considerando 1l grafico in Figura 6 38 11 puntol rappresentativo delle condizioni del fluido all ingresso della valvola fissato dal suo valore di taratura e dalla temp
60. alle misure in commercio per le sonde E quindi possibile scegliere misure e profondit di perforazione diverse senza correre 1l rischio di compromettere la funzionalit dello scambiatore geotermico Per una corretta realizzazione di una sonda geotermica sono necessarie le seguenti azioni gt perforare il terreno con l ausilio di una macchina perforatrice gt rivestire temporaneamente il foro e sostenerlo con l ausilio di appositi fanghi di perforazione gt inserire una sonda di materiale plastico dotata di un piede a U nell estremit inferiore gt provvedere alla cementazione della sonda a partire dal basso della perforazione gt inserire all interno del tubo sonda un fluido termovettore con propriet antigelo L immagine di Figura 2 2 rappresenta lo schema tipologico dell installazione in foro di una sonda geotermica verticale GEROtherm Uni n en forma de Y GEROtherm Raccordo a Y GEROtherm Y Piece Tubo de inyeco n DE 25 mm Tubo d iniezione DE 25 mm Injection tube DE 25 mn Manguito para soldadura el ctrica ELGEFS Manicotto per elettrosaldatura ELGEF Electrotusion coupler ELGEF Ayuda de montaje para sondas Zentri fix Aiuto per la posa della sonda Zentrifix Aid to introduce a geotherma pr be Zentrifix GEROtherm sonda geot rmica doble U con pie soldado en fabrica GEROtherm sonda geotermica doppia U con curva ad U saldata In fabbrica GER
61. ampio campo di funzionamento dei compressori Stream funzionanti a CO2 che riescono a garantire pressioni di mandata transcritiche anche per temperature di evaporazione molto basse L azienda Copeland fornisce inoltre ai progettisti il software di selezione Select che permette la definizione delle principali grandezze termodinamiche di un sistema di refrigerazione oppure di una pompa di calore per eseguire simulazioni e confronti fra le diverse soluzioni tecniche o 1 diversi parametri operativi adottati Dato che il ciclo ad un livello di compressione che si vuole realizzare deve lavorare in campo transcritico si deciso di fissare una pressione di mandata pari a 80 bar e di variare gli altri parametri termodinamici al fine di raggiungere il massimo valore del COP Le grandezze richieste in input dal programma di selezione sono gt temperatura di evaporazione in gradi celsius gt temperatura in ingresso al compressore in gradi celsius gt pressione di mandata in bar gt temperatura del gas freddo in gradi celsius Come output fornisce le prestazioni nel punto specificato gt potenza elettrica assorbita in kW gt flusso massico di CO circolante nel circuito in g s gt efficienza isoentropica del compressore in gt potenza termica all evaporatore ed al gas cooler in kW gt COP del sistema AI fine di fornire al software valori attendibili di temperatura della CO durante 1l suo percorso all interno del ciclo te
62. ando a ridurre lo strato protettivo da esso costituito Si genera cos 1l cosiddetto fenomeno del buco dell ozono ovvero l incapacit da parte dell atmosfera terrestre di assorbire 1 raggi ultravioletti emessi dalle radiazioni solari altamente pericolosi per la salute dell uomo e responsabili dello scioglimento dei ghiacci ai poli Inoltre la stabilit chimica dei CFC ed il loro accumulo nella stratosfera accentuano in modo significativo anche il fenomeno dell effetto serra Tramite 11 Protocollo di Montreal del 1987 al quale aderirono pi di trenta Nazioni fra cui Stati Uniti Giappone e l allora Comunit Economica Europea si stabil la progressiva riduzione nel tempo dei retrigeranti CFC fino ad una 46 diminuzione del 50 della produzione e dei consumi entro 11 1999 Nel 1990 in occasione della Conferenza di Londra si decise la sospensione della loro produzione entro 11 2000 Nel 1992 a Copenaghen si riunirono gli Stati aderenti al Protocollo di Montreal e si decise di anticipare al 1996 il bando dei CFC e contemporaneamente si Indicarono come sostanze lesive dell ozonosfera anche gli HCFC nonostante siano caratterizzati da una minore stabilit per la presenza di atomi di idrogeno nelle molecole Nel 1994 venne approvato il regolamento europeo 3093 94 che fissava definitivamente l arresto dell utilizzo dei CFC al 31 dicembre 1999 ed indicava le varie tappe da seguire nella riduzione della produzione degli HCF
63. ansizione solido vapore all interno del campo di lavoro deve mantenere una pressione maggiore di quella atmosferica per evitare rientrate di aria umida nell impianto anche nel caso di difetti di tenuta dell impianto l ingresso di aria da evitarsi in quanto potrebbe contenere degli incondensabili che potrebbero risultare dannosi mentre l acqua potrebbe solidificare per ridurre il consumo di energia per la compressione occorre avere un rapporto tra le pressioni di condensazione ed evaporazione non troppo elevato deve avere un elevato calore specifico del vapore in modo da non avere una temperatura di fine compressione eccessivamente alta infatti tanto pi il calore specifico basso tanto pi sar alto il salto di temperatura tra ingresso e uscita dal compressore che pu causare problemi di carbonizzazione degli oli presenti a fine compressione deve possedere alla temperatura di evaporazione un elevato valore del calore latente di cambiamento di fase per evitare di dover incrementare la portata di fluido deve avere elevata densit a cui corrispondono portate volumetriche basse per unit di flusso termico asportato non deve aggredire chimicamente 1 componenti del ciclo non aggredire 1 metalli avere un comportamento dielettrico per non interferire con gli avvolgimenti del motore compatibilit con gli oli lubrificanti 39 Oltre a tutti questi fattori tecnici ne esistono altri due pi generali gt il fluido deve
64. ase di silicio Il cemento e la bentonite garantiscono impermeabilit viscosit e potere legante mentre la sabbia silicea permette di ottenere un incremento delle caratteristiche di conduttivit termica Sono di seguito elencati alcuni valori di conduttivit termica tipici dei diversi materiali di riempimento sabbia satura 1 7 2 5 W mK bentonite 0 7 W mK cemento Portland 0 29 W mK cemento bentonite 0 6 1 2 W mK premiscelati termicamente migliorati 1 6 2 2 W mK L iniezione della miscela cementante avviene attraverso la messa in opera di un tubo in HDPE fino alla profondit di progetto esso posizionato al centro della tubazione ad U ha in genere un diametro esterno di 25 mm de25 e pu avere caratteristiche inferiori rispetto alle tubazioni utilizzate per la circolazione del fluido termovettore La cementazione avviene pertanto operando in superficie ma iniziando con l iniezione dal fondo Una specifica macchina dotata di un meccanismo a doppia vite per la compressione della miscela viene collegata alla tubazione di iniezione per poter cementare 100 m di sonda dal fondo foro sono necessari indicativamente 25 bar Durante le operazioni di cementazione opportuno che la tubazione ad U della sonda venga riempita con acqua in pressione questo accorgimento permette di operare in sicurezza ed evitare che la pressione statica esercitata dalla colonna della cementazione possa generare fenomeni di schiaccia
65. azione si preso in considerazione un riscaldamento dell acqua di 10 C il range di temperatura dell acqua in ingresso allo scambiatore varia da 15 C a 35 C Dal grafico di Figura 5 8 risulta evidente come per tale applicazione l adozione di un fluido sintetico sia pi conveniente dell R744 in quanto il COP dell R410a passa dal valore di 7 363 per una temperatura di condensazione di 28 C al valore di 3 905 nella condizione di 48 C al condensatore Dall altra parte la curva caratteristica della CO si mantiene sempre al di sotto della curva dell R410a il COP infatti parte da un valore massimo di 5 642 per decrescere fino a 3 291 COP At 10 C R410a E R744 20 30 T acqua C Figura 5 8 Confronto fra R744 e R410a per un riscaldamento di 10 C La scarsa convenienza di un ciclo transcritico a CO in questa particolare configurazione del sistema causata dal ridotto scambio termico che si verifica all interno del gas cooler dal quale l anidride carbonica esce con un elevato 78 livello energetico non sfruttato per 1il riscaldamento dell acqua per questo motivo si ha una forte penalizzazione sull effetto utile ottenuto sul lato ad alta temperatura dell impianto e di conseguenza sul COP Tale condizione operativa si verifica negli impianti di riscaldamento domestico a bassa entalpia rappresentati ad esempio da impianti radianti con riscaldamento a pavimento la cui diffusione
66. batteri numerosi casi di polmonite acuta di cui non era stata identificata la causa Dal punto di vista clinico la legionellosi pu manifestarsi sotto due forme la febbre di Pontiac e la malattia del Legionario e Ila febbre di Pontiac si manifesta dopo un periodo di incubazione variabile da uno a due giorni ed caratterizzata da una forte febbre dolori muscolari mal di testa possibili disturbi intestinali non c polmonite anche se in alcuni casi presente la tosse Questa forma di legionellosi spesso scambiata per una normale influenza Pu non richiedere terapia antibiotica n ricovero in ospedale e La malattia del Legionario si manifesta dopo un periodo di incubazione variabile da due a dieci giorni in media cinque o sei Pu comportare febbre alta dolori muscolari diarrea mal di testa dolori al torace tosse generalmente secca ma pu essere anche purulenta insufficienza renale confusione mentale disorientamento e letargia un infezione che non si distingue chiaramente da altre forme atipiche o batteriche di polmonite La terapia si basa sul trattamento con antibiotici oltre alle normali misure di supporto respiratorio o sistemico La malattia specie se diagnosticata tardi o insorta in soggetti molto deboli pu portare al decesso 134 Ci si pu ammalare di legionellosi respirando acqua contaminata diffusa in aerosol cio in goccioline finissime la malattia non si contrae bevendo acqua con
67. ca fu opera di un medico inglese James Blank che nel 1755 facendo degli esperimenti con il carbonato di magnesio individu questa sostanza Venne molto usata come fluido di lavoro nelle macchine a compressione di vapore fino al 1940 quando fu abbandonata Gi nel 1866 Thaddeus Lowe riusc ad adattare un compressore per il funzionamento ad anidride carbonica costruendo un apparecchio per la produzione di ghiaccio Nel 1886 Franz Windhausen brevett un nuovo compressore ad R744 denominazione fornita alla CO come fluido refrigerante sviluppato in seguito dalla British Company J amp E Hall Nel 1889 si arriv alla costruzione di un impianto ad anidride carbonica a due stadi pi efficiente Questo tipo di impianto si diffuse negli anni successivi soprattutto a bordo delle navi alla fine dell Ottocento l R744 era il refrigerante pi usato in quanto offriva una serie di vantaggi come il ridotto costo buone propriet termodinamiche e la non tossicit del fluido in caso di fughe dall impianto Poich come fluido di raffreddamento del condensatore si utilizzava l acqua di mare fredda nei mari del Nord dove si concentravano le rotte il ciclo ad anidride carbonica risultava subceritico Con l introduzione dei condensatori ad aria che fecero aumentare le temperature di condensazione si perse efficienza energetica e anche in queste applicazioni l anidride carbonica venne sostituita da altri fluidi come l ammoniaca Solo a partire dal 193
68. cata la temperatura di evaporazione in ordinata la pressione di mandata Questi dati sono stati inviati al tecnici del settore commerciale della Alfa Laval che hanno provveduto a dimensionare lo scambiatore saldobrasato ACH 70X 80H F in grado di sopportare una pressione di progetto p 40 bar del quale sono di seguito riportate in Tabella 6 2 le specifiche tecniche Modello ACH 70X 80H F ItemName FIORINI EVAP CO2 Data 04 11 2013 Unit gt 1 Hot side Cold side Secondary side Primary side 54 Fluido 30 0 Eth glycol Carbon dioxide Portata di massa kah 7497 440 0 Fluid GCondensed Vaporizzato kgh 0 000 330 0 Inlet temperature 00 4 9 Dew p T 5 0 Outlet temperature Vapore liguid CC 3 0 2 5 Operating pressure In OQut bara 30 6 30 5 Perdita di carico kPa 40 2 8 32 Velocit Connessione In Qut mis 2 80 2 50 2 37 3 75 Heat exchanged KW 23 00 Heat transfer area m 3 98 O H T C clean conditions WI m kK 2648 O H T C service WI m K 2369 Fouling resistance 10000 m K W 0 0 Margine 11 8 Mean Temperature Difference K 24 Direzione relativa del fluidi Countercurrent Number of passes 1 1 Materialpiastra brazing Alloy 316 Cu Connessiones1 Hot In 304 ConnessioneS2 Hot Qut 304 ConnessioneS3 Cold In Alloy 304 ConnessionesS4 Cold Qut Codice Pressione Design pressure at 196 0 Celsius Design pressure at 150 0 Celsius Design temperature Overall length x width x height Net weight empty operati
69. cato sono suddivise in base alla sorgente esterna da cui assorbono il calore aria e acqua e suolo sorgente geotermica Dall altra parte la sorgente interna all edificio pu essere costituita da aria o acqua 1 4 1 La sorgente aria q L aria esterna una fonte energetica illimitata e sempre disponibile essa si presenta come una sorgente a temperatura variabile Si verificano infatti escursioni termiche giornaliere e sul lungo periodo variazioni di tipo stagionale nella progettazione di un impianto quindi importante considerare tali variazioni attingendo ai valori di temperatura normalizzati per ogni localit geografica Le pompe di calore aria aria operano l effetto utile sull aria interna degli ambienti da climatizzare attraverso il prelievo di calore dall aria esterna nel periodo invernale oppure attraverso la cessione di calore all esterno nel periodo estivo All interno di questi sistemi chiamati split l energia termica prodotta al condensatore viene indirizzata tramite particolari canalizzazioni ai diffusori che consentono di scambiare calore con l aria dell ambiente interno Figura 1 8 Aria estratta da un cunicolo a temperatura favorevole 5 12 Per sfruttare al meglio la sorgente aria esterna pu essere vantaggioso articolare l impianto termico in modo da prelevare la portata d aria necessaria non direttamente dall ambiente esterno bens da un ambiente termicamente
70. climatizzazione invernale ed estiva e per la produzione di acqua calda sanitaria Viene perci eliminata la doppia gestione dell impianto aeraulico e di quello idronico e la pompa di calore permette il riscaldamento degli ambienti prelevando energia termica a bassa temperatura da una sorgente naturale esterna Questo processo reso possibile impiegando non oltre il 20 25 di energia elettrica ed utilizzando per il restante 75 energia rinnovabile Figura 1 16 Energia dall ambiente rinnovabile Energia climatizzazione Energia ausiliare elettricit o gas Figura 1 16 Apporti di energia in una pompa di calore 6 Estremizzando il sistema possibile che la produzione di energia elettrica avvenga attraverso l utilizzo di tecnologie che sfruttano fonti rinnovabili come gli impianti fotovoltaici o eolici in questo modo si opera con un impatto ambientale praticamente nullo realizzando una pompa di calore completamente verde I limiti delle pompe di calore sono legati alla forte dipendenza del COP dalle temperature della sorgente calda e fredda le rese inserite nei dati di targa della macchina sono infatti riferite a condizioni operative standard che non considerano variazioni significative di temperatura Come ricavato in precedenza dallo studio del ciclo inverso di Carnot per aumentare l efficienza energetica del sistema occorre utilizzare l acqua calda alla temperatura pi bassa possibile e sfr
71. critici a maggior rischio gt Torri di raffreddamento torri ad umido a circuito aperto torri a circuito chiuso condensatori evaporativi gt Impianti di condizionamento umidificatori a pacco bagnato nebulizzatori filtr silenziatori gt Impianti idrosanitari tubazioni serbatoi di accumulo valvolee rubinetti 137 gt Sistemi di emergenza docce di decontaminazione stazioni di lavaggio occhi sistemiantincendio a spinkler gt Piscine e vasche piscine e vasche di idromassaggio vaschecalde gt Fontane decorative M Apparecchi di erogazione ossigeno gt Sistemi di raffreddamento macchine utensili 7 4 Disinfezione negli impianti per acqua calda sanitaria Le linee guida antilegionella indicano i possibili trattamenti termici di disinfezione e lo shock termico da adottare in caso di grave contaminazione dell impianto e la disinfezione termica da utilizzare come sistema preventivo per inibire il batterio della legionella Lo shock termico consiste nell elevare la temperatura dell acqua a 70 80 C continuativamente per tre giorni e far scorrere l acqua quotidianamente attraverso 1 rubinetti per un tempo di 30 minuti alcuni autori raccomandano di svuotare preventivamente 1 serbatoi dell acqua calda di pulirli ed effettuare una decontaminazione con cloro 100 mg l per 12 14 ore fondamentale verificare che durante la procedura la temperatura dell acq
72. d anidride carbonica Politecnico di Milano 2012 14 M H Kim J Pettersen C W Bullard Fundamental process and system design Issues in CO vapor compression systems 2003 15 Unilab Cosa accade alle propriet di un fluido nelle vicinanze dello stato critico Il caso della CO2 2013 16 N Calabrese R Trinchieri Pompa di calore a CO R744 ENEA 2011 17 Emerson Copeland Stream Stato dell arte della tecnologia semiermetica a pistoni 2012 18 Techno System Descrizione e teoria degli scambiatori di calore a piastre 2011 19 Fiorini Industries Scambiatori di calore a piastre 2010 20 N Baltadjev An investigation of real gas effects in supercritical CO compressors Massachussets Institute of Technology 2012 152 21 E Fornasieri C Zilio Componenti per impianti a CO Universit di Padova 22 Catalogo Carel Valvola di espansione elettronica proporzionale E V 2003 23 Catalogue Wilo Stratos PARA High Efficiency Pumps for OEM Industry 24 Mut Meccanica Tovo Pressostati differenziali Serie SFS 2007 25 M Doninelli Impianti idrosanitari Quaderni Caleffi 2001 26 M Doninelli Produzione di acqua calda per accumulo Il pericolo legionella Idraulica 16 Caleffi 1999 27 M Doninelli Legionella un pericolo mondiale Idraulica 23 Caleffi 2002 28 Fiorini Industries Serbatoi bollitori e gruppi di scambio termico 2010 29 Fiorini Industries Sistemi per acqua calda H
73. delle energie rinnovabili poich non rilascia sostanze tossiche amagnetico e pu essere riciclato al 100 conservando le sue propriet intrinseche esso pu quindi essere integralmente riutilizzato senza dar luogo a problematiche relative allo smaltimento dei rifiuti con evidenti vantaggi per la sostenibilit ambientale Figura 6 48 Connessione compressore gas cooler 120 La prima connessione realizzata mostrata in Figura 6 48 collega la mandata del compressore al gas cooler Il diametro del tubo si ricava dalla valvola di scarico del compressore quotata in Figura 6 1 pari a 16 mm necessario prevedere la realizzazione di un sifone dalla caratteristica forma ad U in modo da incrementare l elasticit della tubazione sottoposta a pressioni molto elevate In seguito stato disegnato il tratto di circuito che mette in comunicazione 1 due scambiatori di calore per evitare l intasamento della valvola di laminazione con l olio di lubrificazione del compressore necessario inserire un filtro Figure 6 48 e 6 49 Figura 6 48 Filtro per l olio Figura 6 49 Connessione gas cooler evaporatore 121 N Per chiudere il ciclo termodinamico dell R744 stata infine realizzata la tubazione che collega la mandata dell evaporatore alla valvola di aspirazione del compressore caratterizzata da un diametro di 21 mm Figura 6 50 Figura 6 50 Connessione evaporatore compress
74. di velocizzare le operazioni di inserimento della sonda geotermica nella perforazione minimizzando anche 1 possibili incagli del piede di sonda Figura 2 5 Esempio di zavorra per sonde fonte catalogo Haka Gerodur I distanziali per 1 tubi Figura 2 6 installati con passo compreso fra 15 m ed 1 10 m sono elementi ad incastro a forma di corona che permettono una corretta distanza tra 1 tubi di mandata e ritorno delle sonde L utilizzo di questi accessori esclude che le tubazioni restino a contatto una volta inserite nel foro una corretta distanza reciproca permette infatti di incrementare lo scambio termico della sonda con il sottosuolo 31 Figura 2 6 Distanziali per sonde verticali fonte catalogo Haka Gerodur Affinch la sonda geotermica lavori in modo corretto nel sottosuolo necessario che venga minimizzata la presenza di vuoti fra la perforazione ed il tubo in plastica Una corretta cementazione dell intercapedine garantisce una perfetta aderenza tra sonda e terreno indispensabile per avere un funzionamento efficiente nel tempo Tale operazione avviene inserendo contemporaneamente alle sonde verticali un ulteriore tubo che raggiunge il fondo della perforazione dal quale viene fatto risalire 1l fluido di cementazione A partire dal 1980 nella realizzazione dei primi impianti negli Stati Uniti sono state utilizzate le seguenti miscele e cemento Portland e bentonite e cuttings di derivazione dalle opera
75. dizionamento dell aria questi fluidi hanno per 1l difetto di essere altamente infiammabili L ammoniaca che invece presenta il problema di essere infiammabile e tossica ancora molto usata nel trattamento e conservazione dei prodotti alimentari mentre una sua nuova applicazione riguarda 1 chiller per l aria condizionata Successivamente all introduzione dei fluidi sintetici alcuni fluidi naturali sono scomparsi definitivamente come l anidride solforosa mentre altri che furono abbandonati nel passato stanno riacquistando considerazione come l anidride carbonica 3 4 I fluidi sintetici nascita e sviluppo Per la pericolosit di alcuni fluidi naturali utilizzati fino ad allora negli anni Trenta si cercarono nuove soluzioni La Frigidaire propose sul mercato nuovi refrigeranti che consentivano una maggiore sicurezza d uso 1 fluidi clorurati Di questi fanno parte gli R11 ed RI2 e successivamente gli R22 ed R502 Con questi fluidi fu possibile avere sostanze stabili chimicamente con buone propriet termodinamiche non tossiche e non infiammabili Queste sostanze hanno preso 1l nome di CFC clorofluorocarburi e HCFC idroclorofluorocarburi I CFC sono prodotti di sintesi derivanti dai primi idrocarburi della serie paraffina satura metano CH4 ed etano C2H6 mediante sostituzione di tutti gli atomi di idrogeno della molecola con atomi di cloro Cl e fluoro F 42 Gli idroclorofluorocarburi sono sostanze simili alle preced
76. e del freddo anche per temperature molto basse Anche gli idrocarburi sono stati presi in considerazione ma non hanno avuto grande diffusione a causa del loro grado di 65 infiammabilit che presuppone l adozione di sistemi centralizzati da cui derivano elevati costi di installazione e manutenzione Si comprende quindi come l utilizzo dell anidride carbonica quale refrigerante naturale con le apprezzabili caratteristiche di minimo impatto ambientale bassa pericolosit e relativa facilit di gestione dell impianto possa essere un ottima soluzione alle problematiche sopra esposte 4 4 3 Essiccatori d aria Un altra interessante applicazione per le macchine ad anidride carbonica quella relativa agli essiccato1 Il ciclo transcritico anche in questo caso offre l opportunit di un ottimo accordo tra le temperature per cui la macchina che funziona in modalit pompa di calore Figura 4 19 permette di far raggiungere all aria temperature pi elevate di quelle ottenibili con 1 tradizionali essiccatoi con fluido condensante facilitando cos l essiccazione dei prodotti interessati infatti 1l miglior scambio termico permesso dalla particolare distribuzione di temperatura della CO implica una riduzione del consumo elettrico della macchina nonostante si verifichi un piccolo aumento del tempo ciclo in confronto ai tradizionali impianti a R134a Gas cooler a5 hi p La 5 Ss i a r z ia n i a ni PEIL
77. e lo scambio termico necessario a permetterne l evaporazione in seguito il vapore viene aspirato dal compressore che lo porta ad una temperatura ed una pressione pi elevate Il fluido ad elevato livello energetico transita quindi all interno del condensatore dove si raffredda cede calore all esterno e condensa Infine il refrigerante allo stato liquido viene espanso da una valvola di laminazione che ne abbassa la pressione terminando il ciclo Compressore Evaporatore Condensatore 8 al fluido caldo Valvola di espansione Schema funzionale pompa di calore Figura 1 4 Schema impiantistico di una pompa di calore a compressione 3 Il compressore solitamente azionato da un motore elettrico o da un motore a combustione interna che operando in modo differente influenzano in modo diverso l efficienza dell impianto e il motore elettrico consente di ottenere un impianto ad elevata efficienza energetica Figura 1 5 in quanto il rendimento di conversione dell energia elettrica fornita dalla rete in energia meccanica sviluppata all albero del compressore superiore al 90 Ebeciricirty Heal Qui Heat In i Br a pee a j Ceaporatian E aonn i La 4 Eupimarii el Ma Expansion Vale Evaporator Figura 1 5 Schema di una pompa di calore a compressione con motore elettrico 4 e l utilizzo di un motore a combustione interna Figura 1 6 permette invece di sfruttare il
78. e relativo all effetto serra notevolmente inferiore rispetto a quello degli altri fluidi frigoriferi presenta un valore del coefficiente ODP nullo Per questo anche se emessa in atmosfera sotto forma di gas la CO2 non modifica la concentrazione dell ozono stratosferico una sostanza non infiammabile non tossica e in condizioni normali inodore Sotto forma di gas per pi densa dell aria perci s1 accumula nelle zone inferiori di eventuali ambienti non ventilati e in caso di elevate concentrazioni pu portare al soffocamento per mancanza di ossigeno una sostanza inerte quindi compatibile con tutti 1 comuni materiali utilizzati per la costruzione di un circuito frigorifero a pressione atmosferica e temperatura di 0 C ha densit pari a 1 977kg m ovvero il 50 maggiore di quella dell aria alle medesime condizioni perci il suo utilizzo richiede portate volumetriche minori 4 2 1 Le propriet termodinamiche Le propriet fisiche dell R744 si discostano in modo significativo da quelle dei fluidi sintetici normalmente utilizzati nei circuiti frigoriferi Attraverso il diagramma di fase di Figura 4 1 vengono identificati 1 punti di maggior interesse Punto critico T 30 98 C p 73 8 bar 50 Punto triplo T 56 55 C p 5 2 bar La Tabella 4 1 mette a confronto alcune propriet caratteristiche dell anidride carbonica con quelle di alcuni fluidi sintetici e di un fluido natura
79. edi iaia Pag 42 3 4 I fluidi sintetici nascita e sviluppo L 0 seese Pag 42 oR EE S E elia Pag 44 3 6 Gli indici di impatto ambientale Pag 45 3 7 Problematiche ambientali e declino dei fluidi sintetici Pag 46 3 8 Le alternative ai fluidi sintetici 0 Pag 48 CAPITOLO 4 4 1 L anidride carbonica come fluido refrigerante R744 Pag 49 4 2 Le propriet dell anidride carbonica Pag 50 4 2 1 Le propriet termodinamiche uiia e Pag 50 4 3 Il ciclo frigorifero transcritico ad anidride carbonica Pag 60 4 3 1 La pressione ottimale del ciclo transcritico Pag 62 4 4 Le principali applicazioni dell anidride carbonica Pag 64 4 4 1 Pompe di calore per la produzione di acqua calda sanitaria Pag 64 4 4 2 Sistemi di refrigerazione commerciale Pag 65 44 3 ESSICCAlOrEd Alano Pag 66 4 4 4 Condizionamento nell automotive Pag 67 CAPITOLO 5 5 1 Analisi teorica del ciclo transcritico ad R744 LL Pag 5 2 Determinazione dei punti caratteristici Pag 5 5 Risulfati delle siMulazioni igaci nia Pag 5 3 1 Temperatura dell acqua in ingresso al gas cooler Pag 5 3 2 Pressione di uscita dal compressore
80. egolare e continuo quindi si ottiene una migliore resa termica ed una temperatura di utilizzo meno soggetta a sbalzi Dall altra parte si hanno 1 seguenti svantaggi maggior costo dell impianto per la presenza dei serbatoi maggior ingombro pi elevate dispersioni termiche passive tale inconveniente pu essere minimizzato con un buon isolamento termico dei serbatoi e delle tubazioni gt produzione istantanea l acqua calda prodotta istantaneamente secondo le effettive esigenze dell impianto 131 7 2 Serbatoi per acqua calda sanitaria I serbatoi per lo stoccaggio dell acqua calda sanitaria vengono impiegati quando la sorgente termica che ha il compito di produrre l acqua calda ha una bassa potenzialit rispetto al fabbisogno istantaneo dell utilizzo ad esempio una caldaia di piccola potenza o una pompa di calore adibite alla produzione di acqua sanitaria in un centro sportivo avente un utilizzo concentrato in un breve arco temporale oppure quando ha una produttivit discontinua nel tempo come gli impianti solari o a legna che generano calore solo in fasce orarie ben precise La temperatura di accumulo dell acqua deve soddisfare una serie di esigenze limitare 1 fenomeni di corrosione e deposito del calcare che possono aggravarsi quando l acqua supera 1 60 65 C ridurre le dimensioni dei bollitori inversamente proporzionali alle temperature di accumulo impedire lo sviluppo di batteri
81. entalpia richiesta dal lavoro di compressione e quella fornita dall effetto utile al gas cooler 11 COP si calcola attraverso la relazione cop te 5 2 h2 h1 70 Come ultimo step della simulazione si lancia 11 plot del ciclo transcritico rappresentandolo all interno del diagramma di Mollier Log p h Figura 5 1 se e iz e eee _ _ _ r __ Nr rr _ e 11 i di 4 LEI 1 200 i Ml sl SRI 13 Sal E s LE LUI ei zi wm AI La E Ertha Mg Figura 5 1 Diagramma di Mollier per 1l ciclo transcritico a compressione a R744 5 3 Risultati delle simulazioni All interno di questo paragrafo vengono presentati 1 risultati dell analisi effettuata ponendo l attenzione sui parametri di progetto che influenzano maggiormente 1l COP nel rispetto dei vincoli forniti dalle ipotesi di partenza 5 3 1 Temperatura dell acqua in ingresso al gas cooler La temperatura dell acqua in ingresso allo scambiatore determinante per l efficienza termica del ciclo transcritico Si potuto verificare come l influenza di tale parametro sull efficienza di un ciclo transcritico sia decisamente maggiore rispetto all influenza che possiede la temperatura dell acqua in uscita dal condensatore nel caso dei cicli subcritici caratteristici dei fluidi che sono solitamente utilizzati nelle applicazioni delle pompe di calore Per questa simulazione 1 calcoli sono stati effettuati co
82. entano un impianto fotovoltaico collegato alla pompa di calore Figura 6 62 Rappresentazione della tastiera e della maniglia di sicurezza La pompa di calore realizzata mostrata in Figura 6 63 presenta 1 seguenti ingombri altezza 1122 mm larghezza 878 mm lunghezza 960 mm Essa inoltre caratterizzata da un peso di circa 620 kg Figura 6 63 Rendering della pompa di calore a CO2 130 CAPITOLO 7 7 1 I sistemi di produzione dell acqua calda sanitaria Completata la progettazione della pompa di calore necessario completare l impianto inserendo 1 componenti che permettono di erogare l acqua calda sanitaria all utenza alla temperatura desiderata In questo capitolo vengono brevemente descritte le possibili configurazioni di impianto studiate all interno dell ufficio tecnico della Fiorini L acqua calda sanitaria pu essere prodotta con sistemi ad accumulo oppure istantanei gt produzione con accumulo l acqua calda prodotta ed accumulata in appositi serbatoi ad una temperatura di circa 15 20 C pi elevata rispetto a quella di utilizzo l accumulo serve per poter far fronte al fabbisogno dei periodi di massima richiesta senza dover impiegare potenze termiche troppo elevate Questo sistema presenta rispetto a quello istantaneo 1 seguenti vantaggi possibilit di utilizzare generatori e scambiatori di calore con potenza termica molto inferiore funzionamento dell impianto pi r
83. enti ma nella molecola rimangono atomi di idrogeno che rendono la composizione del fluido meno stabile in atmosfera dove si decompone rapidamente senza compromettere la stabilit chimica e fisica del refrigerante all interno del impianto frigorifero I fluidi refrigeranti di questa specie si differenziano uno dall altro proprio per il diverso numero di atomi di cloro fluoro e carbonio Tutti 1 refrigeranti sintetici CFC possiedono le seguenti caratteristiche e mantengono inalterate le loro propriet nelle pi varie condizioni fisiche a cul si possono trovare e perci sono detti stabili chimicamente e non sono tossici per l uomo e non sono infiammabili e alla pressione atmosferica presentano una bassa temperatura di ebollizione e non presentano particolari problemi di compatibilit con 1 componenti e 1 materiali del ciclo sono solubili con gli oli lubrificanti del compressore compatibili con 1 materiali elettrici del motore e coi metalli presenti nel circuito e vengono prodotti a costi relativamente contenuti Grazie a queste caratteristiche positive a partire dagli anni Trenta quando furono messi in commercio questi fluidi hanno iniziato a diffondersi e a sostituire quelli gi utilizzati nel campo della refrigerazione e del condizionamento Inoltre negli anni seguenti stato possibile produrre fluidi sintetici con migliori caratteristiche termodinamiche ed a costi sempre pi contenuti Poich la presenza d
84. eratura del fluido all uscita del gas cooler pertanto 11 valore della pressione all uscita determinato dall intersezione tra la curva limite inferiore a la curva isoentalpica che parte dal puntol Perco h Figura 6 38 Rappresentazione sul diagramma p h della laminazione del fluido Il fluido all interno del ricevitore si trova in condizioni di saturazione come risulta dalla presenza contemporanea di fase liquida e fase aeriforme di conseguenza lo stato di uscita dalla valvola deve essere di liquido saturo condizione necessaria per avere condizioni di regime stazionario nel circuito Graficamente la trasformazione di fase corrisponde al salto di pressione Apy il quale permette di garantire in ogni condizione la presenza di liquido saturo in uscita dalla valvola 6 4 3 Valvola differenziale abbinata ad una valvola termostatica Una soluzione alternativa fornita dall utilizzo di una valvola differenziale Figura 6 39 che opera attraverso l equilibrio fornito dalla risultante tra le forze di pressione agenti a monte ed a valle dell otturatore e la tensione della molla che definisce la portata di fluido in proporzione alla caduta di pressione che si realizza La valvola differenziale opera in modo da mantenere costante la caduta di pressione al variare della portata e delle condizioni operative Analogamente alla valvola a retropressione essa opera accoppiata ad un separatore di liquido ed a una valvola ter
85. ermica una grandezza fisica misurata in kJ m K che indica la quantit di energia trasferibile kJ contenuta in un materiale di volume pari a Im per grado di temperatura esso indica quindi quanta energia possibile rimuovere da 1m di terreno se lo si raffredda di 1 K Tanto pi il valore di questa grandezza elevato tanto maggiore sar l energia estraibile dalla materia Terreni ad elevato contenuto di acqua hanno una capacit termica superiore rispetto a quelli secchi poich alla capacit termica dello scheletro solido si somma a quella contenuta negli interstizi vuoti presenti fra 1 granuli La conduttivit o conducibilit termica espressa in W mK il rapporto in condizioni stazionarie fra 11 flusso di calore in un materiale di spessore noto ed 1l gradiente di temperatura che provoca il passaggio del calore per cui tale parametro indica se un materiale un buon conduttore di energia termica Al fini del dimensionamento di un campo geotermico fondamentale conoscere la conducibilit termica dei materiali costituenti il sottosuolo Come possibile osservare in Tabella 2 1 le rocce sono 1 materiali con maggiore conducibilit L acqua ha un valore di conduttivit termica maggiore di quello dell aria per cui le ghiaie o le sabbie sature presentano indici pi alti rispetto ai terreni secchi La diffusivit termica il rapporto tra la conducibilit termica ed il calore specifico una caratteristica intrinseca del
86. essione pz scelta come input si determina l ultima coordinata termodinamica ossia la temperatura di fine compressione t2 Punto 3 poich si ipotizza che le perdite di carico lungo il gas cooler siano nulle tale punto si determina a partire dalla pressione del gas in uscita dal compressore fissando p3 p2 Nota inoltre la temperatura della CO in uscita gas cooler che dipende dalla temperatura dell acqua in ingresso si hanno a disposizione due grandezze termodinamiche necessarie per determinare le altre all esterno della zona di transizione entalpia del gas in uscita dal gas cooler h3 entropia caratteristica del punto 3 s3 Punto 4 l ultimo punto che permette di chiudere 1il ciclo definito a partire dalla temperatura di evaporazione t4 tev alla quale corrisponde la pressione p4 Pev dato che 1l punto 4 si trova all interno della campana Inoltre l espansione del gas all interno della valvola di laminazione avviene tramite una trasformazione isoentalpica per cui h4 h3 Di conseguenza possibile calcolare anche l ultima grandezza termodinamica utile ovvero l entropia del punto in ingresso all evaporatore s4 Dopo aver calcolato 1 valori delle grandezze caratteristiche dei quattro punti fondamentali del ciclo possibile calcolare 11 suo COP che permette di misurare l effetto utile del riscaldamento dell acqua all interno del gas cooler Perci considerando la differenza di
87. essore Per un ciclo transcritico ideale questo valore pu essere valutato in funzione della temperatura di evaporazione te e della temperatura di uscita dal gas cooler toc mediante la relazione di Liao e Jakobsen 1998 valida per compressione Isoentropica e condizione di vapore saturo in aspirazione al compressore 4 2 Nella seguente formula Pop espressa in bar mentre te e tc sono in C con 40 C lt te lt 5 C e 31 C lt tacu lt 50 C Popt 2 778 0 0157 te tacu 0 381 te 9 34 4 4 Pressione Entalpia Figura 4 16 Ciclo transcritico in funzione della pressione nel gas cooler 13 62 In tutti 1 casi di un leggero aumento di pressione rispetto a quella ottimale poich l andamento delle isoterme piuttosto piatto l efficienza energetica del ciclo non viene penalizzata eccessivamente invece valori anche di poco inferiori alla pressione ottimale possono ridurre drasticamente 11 COP del ciclo possibile correlare la pressione ottimale del ciclo non solo al valore del COP del sistema ma anche alla sua capacit di riscaldamento evidenziando come nell intorno della pressione massima la capacit di riscaldamento tende al suo valore massimo e consente al sistema di operare con grande efficienza nella modalit pompa di calore Dall altra parte come si nota in Figura 4 17 all aumentare della pressione di scarico aumenta la potenza termica richiesta al compressore in modo maggiore di
88. etta alimentazione all evaporatore ai fini dello scambio termico perci si adotta una tecnica che consiste nel caricare l impianto con una quantit controllata di fluido in modo da assicurare la presenza di liquido in un separatore collocato all uscita dell evaporatore come mostra la Figura 6 36 Il liquido presente nel separatore viene fatto evaporare parzialmente per raffreddare 1il fluido ad alta pressione in ingresso alla valvola di laminazione la conservazione del liquido nel ricevitore richiede in regime stazionario il reintegro della quantit evaporata attraverso l introduzione di un equivalente massa proveniente dall evaporatore Il liquido contenuto nel ricevitore costituisce inoltre una riserva che consente trasferimenti di carica verso gli scambiatori di calore come riposta ad eventuali variazioni delle condizioni operative GAS COOLER a i i i 7 i1 j COMPRESSORE gt LA LI SEPARATORE DI l LIQUIDO VALVOLA LI LAMINAZIONE BACE PRESSURE A EVAPORATORE Mr Figura 6 36 Soluzione impiantistica per il controllo della portata all evaporatore con separazione di liquido e valvola back pressure 21 110 6 4 2 Valvola a retropressione abbinata ad una termostatica Lo schema con valvola back pressure considerato al punto precedente richiede una specifica configurazione del sistema evaporatore separatore per 11 quale non si possono utilizzare 1 criteri consolidati relativi
89. ficativo all interno della zona di saturazione nello scambio termico con aria o acqua infatti la differenza di temperatura tra sorgente calda e fredda risulta troppo esigua quindi per garantire uno scambio di potenza termica adeguata sarebbe necessario operare con una portata di refrigerante molto maggiore rispetto agli altri fluidi frigoriferi oppure con superfici di scambio termico tendenti all infinito 60 x 0 L anidride carbonica impiegata nei cicli termodinamici inversi non quindi caratterizzata dalla fase di condensazione all interno del circuito in quanto il refrigerante in uscita dal compressore si porta in condizioni supercritiche la pressione di scarico superiore alla pressione critica di 73 8 bar in modo da garantire il raggiungimento di temperature adeguate per un efficiente scambio termico con aria o acqua Questa particolare condizione operativa comporta l utilizzo di uno scambiatore di alta pressione in cui non avviene alcuna condensazione del fluido bens un semplice raffreddamento dello stesso in condizioni di gas denso tale scambiatore di calore definito gas cooler Successivamente al raffreddamento del gas avviene una laminazione all interno da un organo di espansione il quale ne riduce la pressione consentendone la successiva evaporazione all interno dell evaporatore La chiusura del ciclo avviene con l aspirazione dell R744 da parte del compressore La Figura 4 15 rappresenta graficamente
90. garantendo un elevata resa dell impianto Lo studio effettuato attesta come nel campo delle pompe di calore per la produzione dell acqua calda sanitaria 1 sistemi operanti ad anidride carbonica si dimostrino molto competitivi in quanto le prestazioni fornite in determinate condizioni operative sono superiori rispetto a quelle dei tradizionali impianti operanti con fluidi sintetici Per questo motivo si stabilito di concentrarsi sulla progettazione di un pompa di calore geotermica a CO destinata alla produzione di acqua termosanitaria grazie alle elevate potenze termiche che si possono ottenere con cicli a compressione transcritici tale sistema si pu utilizzare in applicazioni residenziali turistiche o industriali 80 CAPITOLO 6 6 1 Scelta del compressore transcritico ad R744 All interno di questo capitolo viene presentata nel dettaglio la progettazione dei componenti della pompa di calore la prima fase consiste nel determinare quale compressore presente sul mercato sia in grado di soddisfare le condizioni operative richieste dal ciclo transcritico ad anidride carbonica Attraverso la preziosa collaborazione dello stabilimento MyClima di Treviso stato possibile contattare l azienda Copeland che riveste un ruolo di leadership mondiale nella realizzazione di compressori a CO2 grazie alla serie Stream dei compressori semiermetici a quattro cilindri Discharge Valve Suction Valve OUT Diameter d21 30 OUT Diameter 927 0
91. gono presentati gli indici di impatto ambientale dei principali fluidi 45 R11 R 12 s gs ODE Vita media GWP CO 1 100 Fluido miscele A i s4 l i R1151 atmosferica anni anni 1 45 1 100 R22 11 8 R 502 R 22 115 11 8 1700 R123 14 R 134a 13 6 R 407C R 32 125 134 6 33 13 6 R 410A R 33 125 6 33 1 s Tabella 3 1 Indici di impatto ambientale 11 3 7 Problematiche ambientali e declino dei fluidi sintetici Fino agli Anni 70 l uso dei fluidi sintetici fu totale in tutti gli impianti fino alla pubblicazione di alcuni studi effettuati in Antartide da due scienziati americani Rowland e Molina premiati successivamente con 11 Nobel per la Chimica essi nel 1974 illustrarono l azione dannosa del cloro contenuto nei CFC nei confronti dello strato di ozono atmosferico poich la composizione di tali fluidi talmente stabile da rimanere invariata per decine di anni una volta immessi in atmosfera Durante questo periodo di tempo tali fluidi rimangono nella troposfera a bassa quota sotto forma di gas senza che si presenti alcuna reazione chimica o pericolo per l uomo Tuttavia alcune quantit significative possono raggiungere gli strati pi elevati dell atmosfera terrestre dove la radiazione ultravioletta emessa dal Sole in grado di distruggere 1 legami molecolari dei composti in questo modo si liberano atomi di cloro e fluoro altamente reattivi che si legano alle molecole di ozono and
92. i caldaie a biomassa Sono realizzati in lamiera di acciaio al carbonio verniciati esternamente coibentati in poliuretano flessibile con spessore 100 mm e rifiniti esternamente con PVC colorato Essi sono disponibili in tre versioni mostrate in Figura 7 8 accumulo semplice accumulo dotato di uno scambiatore a tubo liscio interno per l inserimento di un ulteriore fonte energetica ad esempio solare accumulo dotato di due scambiatori a tubo liscio interni per l inserimento di due ulteriori fonti energetiche ad esempio solare e termocamino Legenda attacchi Coupling key 2 Collegamento impianto e puffer 4 Portasonda 5 Sfiato 6 Fonti ausiliarie 2 Plant connection 3 Thermo kit for Combi and Puffer 4 Probe holder 5 Pressure relief valve 6 Auxiliary sources Figura 7 8 Possibili configurazioni dei termoaccumuli Puffer Fiorini 29 Questi serbatoi inerziali largamente impiegati negli impianti di riscaldamento nelle applicazioni dedicate alla produzione di acqua calda sanitaria vengono solitamente collegati a preparatori istantanei I Combi sono serbatoi inerziali per impianti di riscaldamento che integrano la produzione istantanea di acqua calda mediante uno scambiatore estraibile immerso nella parte alta dell accumulo Anche in questo caso sono disponibili tre versioni Figura 7 9 accumulo semplice con scambiatore immerso per la produzione istantanea di acqua calda sanitaria 1
93. i calore Le pompe di calore sono una valida alternativa agli impianti di riscaldamento e condizionamento a combustione tradizionali grazie al risparmio che possibile ottenere in termini di energia primaria consumata ed alla conseguente riduzione di emissioni nocive Esse presentano 1 seguenti vantaggi e costi di esercizio decisamente minori rispetto ai sistemi di riscaldamento a combustibili fossili le moderne pompe di calore possono climatizzare gli ambienti e produrre acqua calda sanitaria con un risparmio energetico che va dal 40 al 60 rispetto agli impianti tradizionali S1 ottiene di conseguenza anche una forte riduzione delle emissioni nocive come ossidi di azoto NO anidride solforosa SO2 e gas serra Un recente studio realizzato dal Co Aer Gruppo Italiano Pompe di Calore ha concluso che in Italia sostituendo tutti gli impianti a combustione con pompe di calore ad elevata efficienza 1 consumi di combustibile crollerebbero con un risparmio di 17 Mtep all anno questi ultimi tradotti al prezzi attuali di petrolio e gas equivalgono ad una riduzione della spesa pari a 13 miliardi di euro ed a una riduzione delle emissioni pari a 39 milioni di tonnellate di CO Considerando che gli obiettivi dell Italia relativi al risparmio energetico per il 2020 corrispondono ad una riduzione dei consumi di 40 Mtep risulta non trascurabile il potenziale delle pompe di calore 20 e possibilit di utilizzare un unico impianto per la
94. i caso 1l perfetto funzionamento dell impianto DONSNORNNDE TCLLCLECLCLIOLI ie ECEE HH ISIS ENNENNE CILE HH _ unta PRMCCCCCCCCCCRT AIRIS IIS AA IONI i _______ AHAH ESSEN ASSEN HHHH d a N E MO ARCIERE TOTO ETICI HH il Aerer T TLOLO hH HHH TEC HHHH H BESETTE t ECT TTiTi HH Li HH SINIS an a HARATA AHAHHH UMCCOCO HHHH HAHH i n SCOMODE DZZE TED EEan a a HHHH NIKKOR na na Blas EEES PA Coe vici Figura 6 9 Piastra corrugata e piastra piana 87 Essi si possono suddividere in due tipologie costruttive la prima si contraddistingue dall avere le piastre corrugate in varie geometrie ottenute per imbutitura alla pressa dotate di guarnizioni in gomma ad esse incollate od agganciate la seconda invece presenta piastre lisce piane guarnizioni in gomma fissate meccanicamente e facilmente sostituibili ed infine turbolatori realizzati in rete metallica adagiati sulle piastre ed inseriti in apposite sedi all interno delle guarnizioni medesime Figura 6 9 Gli scambiatori a piastre sono molto apprezzati per la compattezza l alta efficienza l estensibilit la facilit di manutenzione la possibilit di complesse circuitazioni e non ultimo anche per 1 costi sempre pi competitivi 1 campi in cui stanno prendendo il sopravvento sono il teleriscaldamento 1l recupero energetico la refrigerazione l impiantistica chimica farmaceutica ed alimentare Dal pun
95. i cloro negli HCFC causa un impatto non nullo sull impoverimento dello strato di ozono atmosferico s1 cercato di eliminarlo dai composti la completa sostituzione degli atomi di cloro con atomi di idrogeno ha portato alla nascita degli HFC idrofluorocarburi Questi refrigeranti incidono negativamente in termini di effetto serra ed 1l loro successo non stato esaltante anche per la difficolt delle operazioni di retrofit dei vecchi impianti uno dei pochi HFC che si imposto sul mercato stato l R134a che ha sostituito R12 alle medie ed alte temperature e nella refrigerazione domestica Dopo il divieto di utilizzo dell R22 stato impiegato anche negli impianti di climatizzazione del 43 veicoli a discapito della resa frigorifera in quanto quella che fornisce l R134a inferiore rispetto quella dell R12 3 5 Le miscele Quando si combinano due fluidi aventi la stessa natura chimica fra loro inerti si ottiene una miscela le cui propriet dipendono da quelle dei componenti L evaporazione di una miscela presenta alcune importanti caratteristiche la temperatura non resta costante nel corso dell evaporazione poich tende ad innalzarsi progressivamente la composizione del liquido e del vapore sviluppato variano progressivamente solo al termine del processo si ritrovano le proporzioni iniziali della miscela allo stato liquido Considerando per una miscela composta da componenti in proporzione ben
96. i energia accumulata nel terreno 17 Il calore ambiente che si origina dal Sole influenza solo lo strato pi superficiale della crosta terrestre e perde di rilevanza gi oltre 1 20 m di profondit Figura 1 14 Oltre tale profondit la temperatura del terreno si attesta intorno ai 13 15 C fino a circa 100 m a questo punto interviene il gradiente geotermico dovuto al calore proveniente dal centro della Terra con una crescita di temperatura di 30 C ogni 1000 m Temperatura terreno C O 5 10 15 20 Om 5 m 10 m Profondit m n 3 20m Miro M Mag Uno E Ago Figura 1 14 Temperatura del terreno in funzione della profondit 5 Il valore della temperatura del sottosuolo il parametro di riferimento necessario a valutare la convenienza economica di un impianto geotermico poich permette di stabilire la resa della pompa di calore Una temperatura prossima ai 10 C indica che il salto termico per un funzionamento su pavimento radiante che lavora a 35 C in inverno 25 C mentre un temperatura di 0 C comporta un salto termico di compressione di 35 C Salti termici maggiori necessitano di un lavoro di compressione maggiore con conseguente incremento del fabbisogno elettrico richiesto dalla pompa di calore I sistemi a ciclo aperto descritti in precedenza che estraggono acqua di falda presentano temperature costanti all evaporatore geotermico a prescindere dal numero di ore di funzionamento della pompa di
97. i nello scambiatore di alta pressione 1l fluido refrigerante monocomponente si trova in condizioni supercritiche e nel quale la laminazione avviene direttamente dall alta pressione fino alla pressione di evaporazione non possibile ottenere un controllo indiretto dell alta pressione mediante la variazione della temperatura del fluido una volta fissate le caratteristiche dello scambiatore di calore superfici di scambio perdite di carico portate dei fluidi come invece avviene nei cicli suberitici Le valvole di laminazione infatti sono organi di controllo che si basano sulla legge delle fasi di Gibbs secondo la quale 11 numero di gradi libert necessari a descrivere lo stato di un fluido dato dalla seguente relazione V C F 2 V numero dei gradi di libert C numero componenti del fluido frigorifero 108 F numero delle fasi Di conseguenza per un fluido monocomponente in fase di vapore al fine di descriverne il punto di funzionamento necessaria la conoscenza di due grandezze intensive Nel caso dell anidride carbonica in fase transcritica in corrispondenza di una data pressione sono definiti infiniti valori di temperatura perci necessario fissare sia pressione che temperatura per ottenere il completo controllo sullo stato del fluido Mantenendo costanti le temperature di evaporazione e di uscita della CO dal gas cooler 11 COP del sistema dipende dalla pressione di mandata del compressore 1l compito della va
98. i rinnovabili grazie alla loro grande esperienza nella realizzazione di pompe di calore geotermiche CAPITOLO 1 1 1 Il ciclo inverso di Carnot Il funzionamento delle pompe di calore o degli impianti frigoriferi si basa sulla definizione di ciclo inverso il sistema assorbe una certa quantit di energia sotto forma di calore da una sorgente a bassa temperatura T e mediante l applicazione di un lavoro esterno cede tale calore ad un serbatoio termico ad una temperatura T2 pi elevata Figura 1 1 Questo trasferimento di energia rispetta 11 Secondo Principio della Termodinamica per il quale necessario fornire lavoro dall esterno per trasferire calore verso una sorgente a temperatura pi elevata LAVORO A SISTEMA A TEMPERATURA L Figura 1 1 Schema operativo di funzionamento di un ciclo inverso 1 Il ciclo ideale che permette di realizzare tale effetto utile non conseguibile spontaneamente il ciclo inverso di Carnot il quale lavorando fra due valori prefissati di pressione consente di ottenere la massima efficienza possibile Esso costituito da quattro fasi distinte Figura 1 2 e Compressione adiabatica 1 2 il refrigerante a pressione pi viene aspirato dal compressore da cui esce alla pressione superiore p2 con spesa di lavoro per unit di massa pari a Li2 h2 h Di conseguenza si incrementa la temperatura del fluido da T a T3 e Cessione di calore isoterma 2 3 a pressione p2 e
99. ia da estrarre dal sottosuolo in un intera stagione invernale Il numero e la lunghezza delle sonde devono essere scelti sulla base del seguenti dati di progetto potenza termica della pompa di calore kW energia annuale estratta dal dominio sotterraneo per la climatizzazione invernale estiva e la produzione di acqua calda sanitaria kWh La quasi totalit dei metodi di dimensionamento disponibili in letteratura utilizza la seguente relazione di scambio termico Tg Tw L R 25 q flusso termico tra fluido termovettore della singola sonda e terreno W L lunghezza totale della sonda m T temperatura media del terreno prima di installare la sonda K Tw temperatura media del fluido in sonda K R resistenza termica del terreno per unit di lunghezza della sonda mK W Le potenze estraibili per metro lineare di sonda sono proporzionali al numero di ore di funzionamento della pompa di calore in una stagione Una sonda geotermica in genere viene utilizzata per un periodo compreso fra 1800 e 2400 ore stagionali Nel Nord Italia la stagione invernale ha una durata indicativa di 183 giorni l azionamento medio della pompa di calore di 10 12 ore al giorno nella stagione fredda comporta un numero di ore di funzionamento pari a circa 1800 2200 ore Se l impianto dovesse azionarsi in media per 20 ore al giorno durante la stagione invernale le ore di funzionamento complessive sarebbero 3600 quindi insorgerebbero
100. in continuo aumento grazie agli elevati livelli di comfort che sono in grado di assicurare nella realizzazione di tali impianti in cui richiesta una temperatura di uscita dell acqua di circa 35 C risulta quindi conveniente adottare un fluido sintetico come fluido operativo In seguito si sono presi in esame 1 risultati ottenuti per una configurazione del sistema a pompa di calore per la produzione di acqua calda sanitaria quindi con un At 30 C Figura 5 9 In questo caso emerge l importante propriet dell anidride carbonica di ottenere COP elevati anche per elevate temperature di uscita dell acqua a differenza dei fluidi sintetici a ciclo suberitico questi ultimi infatti all aumentare della temperatura dell acqua in uscita sono caratterizzati da un proporzionale aumento della temperatura di condensazione in funzione del Atapproacn adottato con forte penalizzazione dell effetto utile progressivo allontanamento fra le temperature limite del ciclo COP At 30 C R410a M R744 T acqua C Figura 5 9 Confronto fra R744 e R410a per un riscaldamento di 30 C AI contrario 1 R744 che presenta in uscita dal compressore temperature molto elevate oltre 80 C riesce in questo caso a cedere all acqua gran parte della potenza termica che possiede in ingresso al gas cooler con massimizzazione 79 dell effetto utile Al fine di favorire questa importante propriet si adottano scambiato
101. istenze che solitamente vengono impiegate negli impianti tradizionali senza che il COP del ciclo subisca Importanti ripercussioni infatti il limite di un ciclo a R744 dipende dalla temperatura di ingresso dell acqua nel gas cooler e non di uscita Per questo motivo possibile operare con elevata efficienza negli impianti in cui richiesto un elevato salto entalpico dei quali fanno parte 1 sistemi per la produzione di acqua sanitaria dove sono richiesti delta termici compresi fra 30 C e 40 C q Attraverso la Figura 4 18 possibile spiegare questa importante propriet dell anidride carbonica infatti evidenziato l andamento piuttosto simile tra il profilo di temperatura della CO durante il raffreddamento all interno del gas cooler ed il conseguente riscaldamento dell acqua in modalit controcorrente Dall altra parte 11 profilo di temperatura di un comune fluido frigorifero come I R134a durante 1l raffreddamento all interno del compressore decisamente meno favorevole Entrambe le trasformazioni sono state determinate facendo riferimento ad un ciclo a semplice compressione di vapore con temperatura di evaporazione di 0 C aspirazione del vapore saturo secco a 7 C e rendimento isoentropico di compressione pari a 0 6 64 Le differenze di temperatura fra 1 due fluidi all uscita del refrigerante sono state poste pari a 2 C per la CO e pari a 5 C per l R134a 120 100 2 k H lt L
102. la potenza termica richiesta dalla pompa di calore per la climatizzazione stagionale dell edificio Il calcolo dell energia contenuta nel sottosuolo viene condotto utilizzando 1 valori di capacit termica delle rocce attraverso la stima del volume del sistema di captazione e stimando 1il salto termico fra terreno e condizioni limite di funzionamento macchina 1 valori delle precipitazioni medie e dell irraggiamento locale vengono impiegati per calcolare la frazione di energia rigenerabile su base annua I sistemi orizzontali in occasione di inverni particolarmente freddi possono essere soggetti a brevi periodi di funzionamento con temperatura del fluido termovettore inferiore a 3 C Per evitare che tale condizione operativa comprometta il funzionamento dell intero impianto la soglia di protezione antigelo fissata a 15 C imponendo una percentuale di glicole pari a circa il 30 in peso 38 CAPITOLO 3 3 1 Introduzione ai fluidi frigoriferi I fluidi frigoriferi sono 1 fluidi operativi delle macchine utilizzate nel settore della refrigerazione nel condizionamento dell aria e nei sistemi a pompa di calore Un fluido frigorifero ideale deve possedere tutte le seguenti caratteristiche 11 gt deve evaporare e condensare a temperature e pressioni adatte al campo di utilizzo ed il punto di funzionamento nel diagramma delle fasi deve cadere al di sopra del punto triplo in quanto al di sotto si avrebbe solo tr
103. la soluzione in sonda Considerando un ATapproach 2 C valore minimo consigliato dai tecnici dell azienda Alfa Laval per avere uno scambio termico accettabile fra 1 fluidi senza correre il rischio di dimensionare superfici di scambio eccessivamente estese sono state assegnate le seguenti temperature all evaporatore gt temperatura di ingresso della CO 5 C gt temperatura di uscita della CO 2 C Dal diagramma di Mollier possibile ricavare la pressione p 30 45 bar dell anidride carbonica quando si trova allo stato di vapore saturo ad una temperatura di 5 C ovvero le condizioni che si riscontrano all interno dell evaporatore Attraverso il software Select 7 7 implementato dai progettisti della Copeland stata determinata la potenza elettrica richiesta del compressore 4MTL 12X selezionato per portare 11 fluido dalla pressione p 30 45 bar che si ha in uscita dall evaporatore alla pressione di mandata p 0 bar necessaria per ottenere un ciclo transcritico pari a Pcompr 10kW Tali condizioni operative rispettano 1l campo di funzionamento del compressore scelto come mostrato dal grafico in Figura 6 18 Considerando la portata massima che tale compressore in grado di elaborare uguale a 162 g s viene inoltre fornita la potenza termica all evaporatore Qevap 23KW 95 110 4 C 20 15 10 5 0 5 10 Figura 6 18 Grafico del punto di funzionamento del compressore in ascissa indi
104. le come l ammoniaca Si nota un effetto frigorifero volumetrico molto maggiore ci implica una capacit frigorifera alla temperatura di 20 C almeno quattro volte maggiore rispetto agli altri fluidi a parit di ingombro della macchina quindi si potranno ottenere dimensioni molto ridotte dei componenti dell impianto 15 s p MPa i F Supercritical na E luid gl Solid Liquid Fan i Critical Point CRFCECFCECE CEE CC E E See See Oo 4 Vapor i Triple Point dr sannita i i i iia 40 40 90 T CC Figura 4 1 Punto triplo e punto critico nel diagramma di fase della CO 14 Massa Temperatura Pressione Ah Pressione di molare critica critica 20 C 6 C pi kgfkmoi GC bar m3 bar bar 31 05 14592 19 670 72 1 96 15 E 2453 119 RI34a 102 03 101 06 1 327 77 R4IOA 72 59 71 36 49 03 3756 4 007 189 NH3 17 03 132 25 113 33 2131 1 901 11 4 Tabella 4 1 Confronto fra le propriet termofisiche di diversi fluidi 13 Dal confronto possibile notare come l utilizzo dell anidride carbonica nei cicli inversi sia pi problematico rispetto ai tradizionali fluidi frigorigeni poich necessario sviluppare pressioni molto pi elevate anche per temperature piuttosto modeste inoltre evidente come 1 cicli subceritici non possano essere la soluzione adatta in un impianto frigorifero e soprattutto in un impia
105. le due curve pari a 32 C Introducendo tale parametro all interno del software Select 7 7 si acquisisce la potenza termica Qsc che possibile scambiare al gas cooler uguale a 32 5kW quindi possibile calcolare il COP della pompa di calore Qgc _ 32 5 kW COP 3 25 6 3 Pcompr 10kW Tale Coefficient of Performance permette di accedere agli incentivi statali destinati agli impianti alimentati da fonti rinnovabili pari al 50 dell investimento iniziale poich rispetta 1 requisiti elencati nell Allegato 2 del Decreto Legislativo n 28 del 3 marzo 2011 secodo 11 quale per le pompe di calore dedicate alla sola produzione di acqua sanitaria richiesto un COP gt 2 6 misurato secondo la norma UNI EN 16147 31 Nella Tabella 6 3 sono elencate le specifiche tecniche dello scambiatore saldobrasato AXP52 74H F in grado di garantire una pressione di progetto pari a 130 bar 100 Modello AXP52 74H F ltemName Data 24 10 2013 Unit FA Hot side Cold side Primary side 54 Secondary side Fluido Carbon dioxide Acqua Portata di massa kg h 564 2 6124 Fluid Condensed Vaporizzato kg h 0 000 0 000 inlet temperature 86 0 15 0 Dew p T Outlet temperature Vapore liquid To 320 60 0 Operating pressure In OQut bara 80 0 79 5 Perdita di carico kPa 49 2 16 2 Velocit Connessione In Qut mis 2 61 0 615 0 241 0 245 Heat exchanged kW 32 00 Heat transfer area m o 3 67 O H T G clean conditions WIm K 2365 O H T C service WI
106. le resistenza alla corrosione perci offrono eccellenti prestazioni in applicazioni che richiedono resistenza strutturale ed alle vibrazioni Il monobolt mostrato in Figura 6 27 viene installato con un apposito attrezzo che mentre trattiene la testa con un collare garantendo il corretto posizionamento del rivetto tira verso l esterno la spina in modo da formare la controtesta per deformazione plastica come descrive la seguenza in Figura 6 28 successivamente la spina viene staccata a trazione essendo dotata di un apposita zona di rottura Figura 6 27 Rivetto monobolt 104 Figura 6 28 Sequenza di fissaggio di un rivetto monobolt Tra ogni piede del compressore e la lamiera sono interposti inserti antivibranti in acciaio rivestiti in gomma Figura 6 29 essi presentano una protusione che viene inserita all interno di un apposito foro in ogni piede e vengono fissati all omega tramite viti M8 che vengono serrate in particolari inserti filettati a testa esagonale posizionati nella lamiera come possibile osservare in Figura 6 30 Figura 6 30 Fissaggio del compressore al basamento 105 gt Prima di procedere con il montaggio degli scambiatori stato necessario esaminare l introduzione di una coibentazione in polietilene espanso Figura 6 31 caratterizzata da uno spessore di 10 mm necessaria per non avere dispersione termica verso l esterno e per evitare la condensa del fluido sulle pare
107. le si trova un magnete permanente Il movimento della membrana ostacolato da una molla di contrasto dimensionata secondo le caratteristiche d intervento del pressostato un secondo magnete si 126 trova entro il pistoncino di azionamento del microinterruttore Appena la differenza di pressione Ap ha raggiunto il valore d intervento 11 movimento della membrana avvicina 1 due magneti ad una distanza tale che la loro mutua forza di repulsione sia superiore alla forza di scatto del microinterruttore ottenendo cos la commutazione figura di sinistra Quando la differenza di pressione Ap diminuisce e va sotto il valore di ritorno 1 due magneti si riallontanano e il pulsante del microinterruttore ritorna in posizione normale figura di destra Uy E E SET pai i E Figura 6 57 Chiusura ed apertura del microinterruttore 24 La Figura 6 58 rappresenta il posizionamento del pressostato differenziale all interno dell assieme Figura 6 58 Posizionamento del pressostato differenziale 127 6 7 Realizzazione dei pannelli di chiusura Completata la progettazione della pompa di calore sono stati dimensionati 1 pannelli in acciaio zincato con spessore 1 2 mm per la chiusura e l isolamento acustico della macchina rappresentata in Figura 6 59 Figura 6 59 Assieme della pompa di calore a CO In un primo momento sono stati realizzati 11 pannello posteriore ed 1 pannelli
108. lgimento Camicia di contenimento Molle calibrate di sospensione Figura 6 46 Schema di funzionamento del cinematismo interno 22 La seguente Figura 6 47 rappresenta il modello 3D e gli ingombri della valvola di laminazione utilizzata nel disegno della pompa di calore Figura 6 47 Valvola di espansione elettronica EEV della Carel 119 6 5 Tubazioni della pompa di calore Fissati 1 principali componenti del ciclo termodinamico la progettazione proseguita con il dimensionamento ed il disegno delle tubazioni in rame 11 quale si impone nella scelta dei materiali grazie alle seguenti propriet e resistenza alle elevate temperature ed al fuoco punto di fusione 1083 C e pressione di scoppio per il tubo ricotto 12x1mm superiore a 300 bar e alta durata nel tempo poich esente da problemi di rammollimento e frattura a fatica dovuti all invecchiamento ed alle escursioni termiche e univoco coefficiente di dilatazione termica e assoluta impermeabilit ai gas resistenza al raggi UV ed integrit elettrica e facilit di messa in opera e di giunzione con raccordi normati attraverso rapidi ed affidabili processi di brasatura press fitting o innesto Il rame associa alle massime prestazioni di conduttivit elettrica anche un ottima conducibilit termica che lo rende 1l materiale principe per le applicazioni legate al risparmio energetico Inoltre particolarmente utilizzato nel campo
109. lo 6 viene descritta la progettazione della pompa di calore geotermica ad anidride carbonica per produzione di acqua calda sanitaria la prima fase riguarda la scelta del compressore semiermetico a pistoni per poi passare al dimensionamento degli scambiatori di calore in seguito si passa alla determinazione della valvola di laminazione ed alla descrizione delle tubazioni utilizzate Nella realizzazione dei disegni 3D stato utilizzato 11 software CAD SolidEdge Il Capitolo 7 presenta una classificazione dei sistemi di produzione dell acqua calda sanitaria 1 quali collegati alla pompa di calore permettono di completare l impianto Infine nel Capitolo 8 vengono presentate le conclusioni dell attivit di tesi e gli sviluppi futuri della progettazione svolta Desidero ringraziare il Prof Marco Lorenzini relatore della mia attivit di tesi e l azienda Fiorini Industries che mi ha accolto all interno del proprio ufficio tecnico nel quale per la prima volta ho avuto la possibilit di confrontarmi con 1l mondo del lavoro dopo cinque anni di intensi studi universitari In particolare rivolgo un sentito ringraziamento al direttore tecnico Ing Luca Tassinari che mi ha seguito durante tutta l attivit di progettazione fornendomi un sostegno fondamentale ed ai miei referenti all interno dello stabilimento MyClima di Treviso Riccardo Zanin e Moreno Cappellazzo che mi hanno guidato all interno delle tecnologie alimentate da font
110. lvola consiste nel mantenere costante il valore ottimale della pressione massima del ciclo calcolato attraverso l equazione descritta all interno del Capitolo 4 In questo modo si corre per il rischio di non garantire una corretta alimentazione di fluido all evaporatore al variare delle condizioni di funzionamento dell impianto Sono stati perci sviluppati alcuni metodi di controllo per 1 cicli transcritici e valvolaaretropressione costante back pressure valve e valvolaa retropressione costante accoppiata con una valvola termostatica e con un separatore di liquido e valvola differenziale accoppiata con una valvola termostatica e con un separatore di liquido e valvola termostatica e tubi capillari e valvole elettroniche 6 4 1 Valvola a retropressione costante la valvola tradizionalmente impiegata nei cicli transcritici il suo funzionamento dipende da un otturatore comandato dalla pressione di monte che in contrasto con una molla a tensione regolabile agisce su un soffietto collegato rigidamente all otturatore stesso Figura 6 35 la valvola mantiene praticamente costante la pressione di uscita dal gas cooler in quanto reagisce ad un incremento di pressione aumentando la sezione di flusso 109 Figura 6 35 Sezione laterale di una valvola a retropressione costante Se tale tipo di valvola efficace nel mantenere costante la pressione massima del ciclo non per in grado di assicurare una corr
111. mantenere la pressione al di sotto del valore impostato in modo preciso e stabile 116 La riduzione della pressione di evaporazione si ottiene attraverso la chiusura progressiva della valvola di laminazione ci comporta un aumento del surriscaldamento del gas in uscita dallo scambiatore con un conseguente incremento della temperatura d aspirazione al compressore La chiusura della valvola viene in seguito arrestata dal sistema di controllo al raggiungimento di una temperatura limite del gas surriscaldato oltre la quale si potrebbe compromettere il corretto funzionamento del compressore All interno del progetto svolto stata impiegata la valvola di espansione elettronica proporzionale EEV della Carel che si distingue per la notevole qualit della regolazione e per la capacit di raggiungere velocemente la stabilit di macchina e mantenerla costante riducendo 1l transitorio di regolazione rispetto alle tradizionali valvole termostiche TEV come descrive 11 grafico di Figura 6 44 nfessione di condensazione surriscaldamento fessione di si evaporazione Figura 6 44 Evoluzione della regolazione dalla valvola TEV alla EEV 22 La modulazione proporzionale dal 10 al 100 del fluido refrigerante rende possibile lutilizzo della stessa taglia di EEV in unit di potenza molto variabile su unit di taglia diversa o in condizioni operative non costanti caratterizzate da pressioni flottanti inoltre tali valvole ma
112. me del serbatoio e le caratteristiche della fonte primaria potenza e temperatura di mandata sono 1 parametri che determinano la quantit d acqua erogabile nell unit di tempo di seguito viene riportata la formula per 1l dimensionamento del termoaccumulo Tout Tin P Tm 60 7 1 SEP Cp To Tf V volume del termoaccumulo 1n litri W quantit d acqua calda sanitaria richiesta nel periodo di punta in litri Tm durata del periodo di punta in minuti To temperatura di stoccaggio all interno del puffer in gradi celsius T temperatura di minima fruibilit del termoaccumulo in gradi celsius Tin temparatura di ingresso dell acqua dalla rete in gradi celsius Tout temperatura di erogazione dell acqua calda sanitaria in gradi celsius cp calore specifico dell acqua 4 186 KJ kgK P potenza della fonte primaria in KW La quantit di acqua calda sanitaria richiesta dalle utenze deve essere minore di quella prodotta dal preparatore istantaneo in base alla temperatura dell acqua del circuito primario in ingresso allo scambiatore ed a quella dell acqua sanitaria viene fornito dal costruttore il grafico della portata di acqua calda sanitaria erogabile Figura 7 12 in modo da poter effettuare la scelta corretta tra le configurazioni disponibili 147 Portata a c s erogabile min 45 a TTT_____r______m ross __ LE E ____yr_____m 2700 Temperatura ing primario C Figura 7
113. mento dei tubi in PEAD 33 La miscela di cemento passa da uno stato viscoso allo stato solido nel periodo di maturazione durante il quale si possono verificare fenomeni di ritiro della miscela questo fenomeno avviene entro 1 primi due giorni dalla conclusione della cementazione e in questa fase buona norma non eseguire operazioni che comportino la deformazione dei condotti in PEAD come ad esempio le prove di tenuta per il collaudo delle sonde 2 3 I liquidi antigelo Date le temperature di esercizio dei fluidi circolanti nelle sonde geotermiche da 5 C a 10 C necessario inserire insieme all acqua utilizzata come fluido termovettore una soluzione antigelo L acqua presenta un punto di congelamento prossimo a 0 C ma con formazione di cristalli a partire da 3 C perci necessario inibire la solidificazione del fluido nei circuiti a ciclo chiuso 1l grado di protezione al congelamento proporzionale alla percentuale presente nella soluzione di liquido antigelo Tali fluidi hanno le seguenti caratteristiche gt densit superiore a quella dell acqua gt viscosit superiore a quella dell acqua gt conducibilit termica inferiore a quella dell acqua L utilizzo di una miscela antigelo comporta per un incremento delle perdite di carico al circolatore e una diminuzione della capacit di scambio termico della soluzione Non esiste un grado di protezione ottimale delle sonde nonostante in genere si applichi u
114. mostatica come descrive lo schema in Figura 6 40 anche in 112 questo caso la presenza del ricevitore contenente una miscela liquido vapore permette l uscita verso l evaporatore di liquido saturo Fuill Adjustable Adjusbrg screw Locking screw confalned Spring sets cracking mainams iHrng pressure saltino f Fakiniac Compact onhe piece body Figura 6 39 Sezione di una valvola differenziale GAS COOLER ta VALVOLA DI LAMINAZIONE DIFFERENZIALE T n j f i COMPRESSORE P SEPARATORE DI LIQUIDO VALVOLA DI LAMIKNAZIONE TERMOSTATICA EVAPORATORE hs ai Figura 6 40 Sistema di laminazione con valvola differenziale 21 Il processo di laminazione isoentalpico definito a partire dalla taratura della valvola a cui corrisponde una determinata caduta di pressione compresa tra la curva isoterma relativa alla temperatura del fluido all uscita dal gas cooler punto 1 e la curva limite inferiore punto 2 il grafico in Figura 6 41 evidenzia come mantenendo costante la differenza di pressione attraverso la valvola differenziale la variazione di temperatura del fluido frigorifero in uscita dal gas cooler modifichi 11 valore della pressione massima del ciclo In particolare si nota come all aumentare della pressione di uscita la pressione ottimale tenda ad aumentare Tale soluzione tecnologica permette allora di regolare la pressione al valore ottimale in modo da massimizzare 11 C
115. na protezione fino a circa 10 C 20 in volume I fluidi antigelo presenti sul mercato sono e glicoleetilenico e glicole propilenico e etanolo e metanolo N Nel dimensionamento dei circolatori e dei vasi di espansione necessario considerare la variazione delle propriet chimico fisiche della soluzione in base alla percentuale del liquido antigelo Ad esempio il glicole ha una densit pari a 34 1 114 g cm maggiore rispetto alla densit dell acqua ovvero 1 g cm dall altra parte presenta una conduttivit termica di 0 25 W mK inferiore al valore dell acqua di 0 60 W mK Se si considera una soluzione al 50 di glicole si ottiene come densit 1 059 g cm e una conducibilit termica di 0 41 W mK Per la corretta scelta dei vasi di espansione necessario utilizzare come coefficiente di dilatazione termica di una miscela acqua e glicole 11 valore 0 07 maggiore di quello dell acqua pari a 0 045 2 4 Le sonde geotermiche orizzontali La diffusione di sistemi geotermici dotati di sonde orizzontali sul territorio italiano minore rispetto alle sonde verticali ci dovuto alla scarsa disponibilit di terreno a basso prezzo in prossimit di aree edificabili ed alla diffusa concezione secondo cui questa tipologia di Impianto sia meno prestante Figura 2 7 Impianto a pompa di calore con sonde geotermiche orizzontali 8 35 Un campo di sonde geotermiche orizzontali Figura 2 7 prevede il
116. ndit possono essere cos classificati Figura 2 8 gt gt gt gt scambiatori a serpentini o a chiocciola scambiatori ad anelli scambiatori a spirale scambiatori a canestri Scambiatori a serpentini e a chiocciola Scambiatori ad anello Nin Scambiatori a spirale Scambiatori a canestro Figura 2 8 Configurazioni delle sonde geotermiche orizzontali 10 37 La scelta della geometria pi idonea dipende da diversi fattori tra 1 quali la natura del terreno le sue zone d ombra il tipo di vegetazione presente o da piantumare in quanto la superficie posta sopra gli scambiatori deve essere priva di piante e di qualsiasi altro tipo di vegetazione che pu fare ombra Le tubazioni impiegate sono in materiale plastico PEAD di diametro variabile generalmente inferiore a 25 mm per aumentare la capacit di scambio della sonda possibile utilizzare tubazioni in PEAD PNIO caratterizzate da spessori minori e conduttivit termica maggiore rispetto alle pi comuni PN16 Nel caso in cui vengano scelte tubazioni di minore resistenza alla pressione necessario prestare molta attenzione durante le operazioni di rinterro affinch siano evitati possibili schiacciamenti delle sonde Queste ultime vengono posate a terra con un passo variabile tra 20 cm e 50 cm prima di effettuare la scelta del passo di posa necessario verificare che l energia contenuta nel terreno interessato alla captazione sia maggiore del
117. nea al contatto con acqua destinata al consumo umano secondo il D M n 174 del 6 aprile 2004 contro le correnti galvaniche in dotazione l anodo sacrificale Simpletest a controllo di corrosione esterno L esterno del bollitore viene superficialmente verniciato e quindi coibentato le 141 coibentazioni vengono eseguite con l applicazione di una lastra di poliuretano flessibile dello spessore di 50 mm mentre la finitura esterna in PVC morbido colorato Descrizione T Termometro a 4 Anodo Pos w w Ritorno caldaia Cu Termostato s Uscita acqua caida a a Scarico Mandata caldaia Htot O o lt A mezz 7 Figura 7 5 Bollitore Serie S Fiorini 28 L esecuzione spiraliforme dei serpentini fonte di perdite di carico pi elevate di quelle che si hanno nei fasci tubieri con ripercussioni nel dimensionamento dei circolatorii La particolare leggerezza dei serpentini facilita le operazioni periodiche di pulizia dal calcare inoltre nei serpentini elicoidali le incrostazioni sono molto limitate in quanto il monotubo utilizzato si dilata in funzione delle escursioni termiche esercitando cos una funzione autopulente 142 Nella Figura 7 6 viene rappresentata una tipica configurazione dell impianto di produzione di acqua calda sanitaria con bollitore a fascio tubiero Il termostato di regolazione attiva o disattiva la pompa dello scambiatore di calore in relazione alla temperatura d
118. ng Package length x width x height Package weight Bar Bar mm kg mm kg Filettato esterno 1 1 4 ISO 228 1 G B32 Alloy Filettato esterno 11 4 ISO 228 1 G B32 Alloy saldatura brasatura 16 mm Multipremixer D64 saldatura brasatura 1 1 8 H21 Alloy 304 PED 45 0 45 0 196 0 150 0 219 x 111 x 526 16 6 24 3 X X 45 0 45 0 96 Physical Properties inlet outlet Dens Cal Specifico Viso Cond Term Bub p Dew p Mol W Cr pr Cr Temp Lat heat Hot side Liquid Vapore 1051 1052 3 684 3 678 4 24 4 76 0 480 0 479 Cold side Liquid 946 3 931 2 2 697 2 815 0 117 0 113 0 119 0 115 Vapore 80 33 78 52 1 665 1 575 0 0160 0 0164 0 0162 0 0165 1 5 0 1 50 44 01 44 01 TITTAT 31 0 31 0 245 6 238 8 Tabella 6 2 Specifiche tecniche dell evaporatore ACH 70X 80H F Come mostrato in Figura 6 19 tale scambiatore presenta quattro connessioni alle due connessioni anteriori verranno saldate le tubazioni lato CO mentre sul lato posteriore sono presenti 1 manicotti con filettatura gas ai quali verranno fissati i collettori delle sonde geotermiche Figura 6 20 Inoltre prevista l introduzione di due connessioni sulla parete anteriore utilizzate per l inserimento delle sonde che tengono monitorata costantemente la temperatura dell acqua all interno dello scambiatore Figura 6 19 Disegno dell evaporatore ACH 70X 80H F 97 Figura 6 20
119. nificare future costruzioni Fra 1 criteri di dimensionamento di un campo di sonde orizzontali opportuno considerare 1 seguenti aspetti irraggiamento medio stagionale al suolo e l ombreggiamento le temperature medie minime giornaliere della localit la piovosit media della localit 1l fabbisogno energetico medio annuo dell edificio la quantit di energia media annua richiesta Rispetto alla soluzione verticale quella orizzontale ha il vantaggio di una pi facile e ciclica rigenerazione energetica per effetto delle piogge primaverili autunnali e per l azione dell irraggiamento solare estivo nell arco di un anno nel Nord Italia si riscontra una precipitazione media di circa 800 mm m con temperatura media di 6 10 C L energia contenuta in questo quantitativo d acqua notevole se si considera come limite inferiore di esercizio del campo sonde un temperatura di 3 C Per una corretta realizzazione di un campo di sonde geotermiche orizzontale necessario realizzare uno scavo di profondit variabile fra 1 m e 2 5 m posizionare le sonde geotermiche secondo uno schema predefinito posizionare un letto di sabbia di 5 cm qualora i terreni abbiano una componente clastica spigolosa mettere in pressione le sonde con acqua prima delle operazioni di rinterro coprire lo scavo con 1l terreno precedentemente rimosso In base alle loro geometrie di sviluppo gli scambiatori a bassa profo
120. no una struttura monolitica e non presentano giunture interne tranne che in corrispondenza del piede di sonda Un altro materiale usato per la realizzazione di sonde 11 PEX a o polietilene reticolato 11 quale presenta migliori caratteristiche meccaniche rispetto al PEAD ed ottima resistenza in pressione anche a temperature prossime ai 100 C La limitazione alla sua diffusione probabilmente associata al costo superiore rispetto al pi comune PEAD Il raccordo ad U che collega la tubazione di mandata con quella di ritorno rappresentato in Figura 2 4 prende il nome di piede di sonda realizzato con lo stesso materiale dei tubi Esso costituisce l unico punto di saldatura della sonda geotermica ed concepito con forme sinuose e dolci in modo da garantire la riduzione delle perdite di carico al fluido in esercizio Utilizzare in campo una sonda saldata e collaudata in fabbrica permette di rimuovere potenziali errori provocati dalla pratica operativa di saldatura in cantiere 30 Figura 2 4 Disegni di piedi di sonda fonte catalogo Haka Gerodur L inserimento di una sonda in una perforazione prevede l impiego di una zavorra non indispensabile ma fortemente consigliato in tutti 1 casi in cui presente acqua nella perforazione Tale elemento Figura 2 5 permette di vincere contemporaneamente spinta idrostatica ed attriti di resistenza laterale fra sonda e pareti della perforazione a fronte di un costo aggiuntivo permette
121. nsiderando una pressione in uscita dal compressore volutamente non ottimale pari a 100 bar in modo da valutare esclusivamente l influenza della temperatura dell acqua sul ciclo le temperature 71 dell acqua sono state incrementate di un unit iterativamente coprendo un intervallo dai 10 C ai 40 C 18 23 28 T acqua gas C Figura 5 2 COP in funzione della temperatura dell acqua in ingresso al gas cooler Dal grafico in Figura 5 2 si pu notare come pur mantenendo costante 1l salto termico fra uscita ed ingresso dell acqua nel gas cooler all aumentare della temperatura di ingresso si abbia un decremento significativo del COP del ciclo Ci dipende dal fatto che poich il ciclo ad anidride carbonica opera in campo transcritico il punto di laminazione non univocamente determinato dal punto di condensazione del fluido frigorifero come avviene per 1 cicli subceritici bens dipende dallo scambio termico tra fluido operativo e fluido da scaldare Infatti la laminazione per temperature via via crescenti non permette al fluido operativo di scambiare calore fino a bassa temperatura riducendo nettamente l effetto utile dato dal salto entalpico all interno dello scambiatore Ahs ho h3 In questo modo il lavoro speso durante la compressione non viene sfruttato in modo efficace dallo scambio termico all interno del gas cooler 72 5 3 2 Pressione di uscita dal compressore Come gi discusso
122. ntengono le loro caratteristiche di precisione in entrambi 1 versi di funzionamento consentendo cos l installazione in pompe di calore reversibili con la sostituzione di due valvole di espansione tradizionali ottenedo valori della capacit frigorifera identici nei due versi Nella Figura 6 45 indicata la direzione del moto del fluido nelle due condizioni di funzionamento 117 liquido refrigerante kg h Apertura valvola Figura 6 45 Regolazione della portata nelle operazioni di refrigerazione o riscaldamento Il funzionamento delle valvole elettroniche Carel il cui schema mostrato in Figura 6 46 si basa sul controllo del surriscaldamneto del refrigerante attraverso la presenza all uscita dell evaporatore di una sonda di pressione ed una di temperatura l espansione del refrigerante viene gestita grazie all algoritmo di regolazione implementato dei progettisti della Carel che calcola in tempo reale la posizione dell otturatore e tramite un driver lo muove utilizzando 1l motore passo passo integrato nel corpo valvola possibile gestire la lettura delle sonde l algoritmo di controllo ed il driver di movimento con dispositivi di tipo integrato o attraverso moduli separati Corpo valvola con orifizio Ugello di regolazione con antirotazione sr egli cal magnetico rotante Fi sean Rotore multipolare e vite senzafine Cuscinetto a sfere a T__ effetto Fondello di chiusura Statore avvo
123. nto a pompa di calore a 51 causa della bassa temperatura del punto critico che non consente un efficace scambio termico La maggiore resistenza meccanica richiesta per l applicazione della CO viene per in parte controbilanciata dalla minore taglia dei componenti dovuta alla minore portata volumetrica richiesta Una volta determinata la geometria degli scambiatori 1 R744 permette di ottenere elevati coefficienti di scambio termico infatti possiede un elevata conducibilit termica sia in fase liquida che in fase gassosa in cui si trova anche in condizioni di elevata densit in particolare come indicato in Figura 4 2 la conducibilit termica presenta un massimo in corrispondenza del punto critico e tende a diminuire con l aumento della temperatura a parit di densit 0 45 x Thermal Conductivity A Wim ke 1000 Density p kg m Figura 4 2 Conducibilit termica in funzione di densit e temperatura 14 La Figura 4 3 mostra l andamento dei profili di entalpia ed entropia a pressione costante all interno dello scambiatore di alta pressione nella regione transcritica decrescono con la temperatura presentando una brusca variazione in corrispondenza del punto critico La pressione influenza l entropia e l entalpia sopra la temperatura critica mentre al di sotto del punto critico tale influenza trascurabile quindi sono permesse perdite di pressione pi elevate 52 Enthalpy kJ kg Entr
124. nto del compressore Ahcompr hz h Se in uscita dal compressore si determina un incremento della pressione tale da superare il valore ottimale il lavoro di compressione aumenta poich necessario raggiungere livelli di pressione pi alti 1 quali non comportano per un pari incremento dell efficacia dello scambio termico a causa di questo fenomeno il COP del ciclo tende a calare leggermente Dall altra parte quando la pressione inferiore a quella ottimale vi una penalizzazione significativa del COP in quanto nonostante sia richiesto un minor lavoro di compressione lo scambio termico risulta essere molto basso Rimane perci confermato quanto affermato nel Capitolo 4 sul particolare andamento della resa dell impianto in funzione della pressione massima del ciclo 5 3 3 Rendimento isoentropico del compressore Un altro parametro che influenza notevolmente il COP di un ciclo a pompa di calore il rendimento isoentropico del compressore che nelle applicazioni reali si discosta notevolmente dal valore unitario infatti mentre per 1 tradizionali fluidi sintetici per 1 quali sono richieste pressioni di mandata limitate si adottano compressori Scroll ad elevato rendimento isoentropico oltre 11 75 nelle pompe di calore a CO si adottano particolari compressori alternativi semiermetici transcritici con rendimenti che non superano il 67 40 60 80 100 Rendimento isoentropico del compressore Figura
125. numerosi impianti frigoriferi o pompe di calore Figura 6 43 Tubo capillare utilizzato in impianti frigoriferi Il fluido operativo uscito dal condensatore o dal gas cooler a pressione e temperatura elevate viene immesso nel tubo capillare all interno del quale superando la resistenza di attrito esercitata dalle pareti subisce una precisa riduzione di pressione a questo punto il liquido refrigerante comincia ad evaporare formando una miscela di liquido e vapore La densit del vapore minore rispetto a quella del liquido di conseguenza la densit media del fluido diminuisce poich la portata in massa del fluido ed il diametro dei tubi rimangono costanti la velocit del refrigerante aumenta quindi s1 verifica un ulteriore calo della pressione 115 6 4 4 Valvola elettronica Il funzionamento delle valvole di laminazione elettroniche gestito da un microprocessore che genera 1 segnali di comando destinati ad un motore elettrico passo passo quest ultimo regola l apertura e la chiusura della valvola in base alle condizioni operative Il loro utilizzo particolarmente indicato per le unit che lavorano in condizioni di carico termico variabile per le quali s1 necessita di un controllo preciso sia sulla pressione massima del ciclo sia sulla pressione e sulla temperatura all evaporatore in particolare negli impianti caratterizzati dalla gestione congiunta di condizionamento e produzione di acqua calda sanitaria
126. o un attenuazione del suono decisamente maggiore rispetto alle calotte fonoassorbenti convenzionali che riducono il rumore di 3 6 dBA a seconda dell applicazione Figura 6 5 Struttura dell involucro Sound Shell 17 Il sistema di diagnostica CoreSense protegge il compressore da eventuali danni come il blocco del rotore rappresentato in Figura 6 6 la mancanza di fase e squilibri di tensione Inoltre fornisce protezione da repentine variazioni della temperatura di mandata Figura 6 6 Motore a quattro cilindri del compressore Stream 84 Esso inoltre memorizza visualizza e comunica le informazioni relative ad eventi critici al cliente ed ai tecnici responsabili della manutenzione consentendo di diagnosticare 1 problemi con rapidit e di evitare tempi di inattivit del sistema La cronologia degli allarmi viene memorizzata dalla centralina in diverse fasi in base al segnali inviati dai sensori mostrati in Figura 6 7 e cronologia degli allarmi degli ultimi otto giorni in cui viene mostrato il numero di eventi quotidiano e numero di errori che si sono verificati da quando il compressore stato messo in funzione per la prima volta e numero di ore di esercizio del compressore numero di avvii reset e tipo di reset Figura 6 7 Architettura del sistema CoreSense 17 Figura 6 8 Campo di funzionamento dei compressori Stream ad R744 85 Il grafico in Figura 6 8 descrive chiaramente l
127. o critico aumenta con la temperatura fino ad un massimo in corrispondenza di 22 C poi decresce rapidamente 30000 a R744 R 410A 22000 R f1f R 22 F R d070 R 290 n 20000 Rissa 4 R 12 Figura 4 8 Capacit volumetrica di refrigerazione all evaporatore 14 55 La tensione superficiale influenza le propriet di ebollizione del fluido bifase dato che una bassa tensione riduce il surriscaldamento richiesto per la nucleazione e la crescita delle bolle di vapore influendo positivamente lo scambio termico d evaporazione Dall altra parte una bassa tensione superficiale riduce la stabilit della superficie del liquido ed aumenta la formazione ed 1l trascinamento di goccioline sulle pareti dello scambiatore che riducono la superficie utile per lo scambio termico La Figura 4 9 presenta la tensione superficiale della CO allo stato di liquido saturo per diverse temperature controntandola con altri fluidi essa decresce all aumentare della temperatura fino ad annullarsi in corrispondenza del punto critico A 0 C uguale a 0 0044 N m ovvero 2 5 volte minore rispetto all R134a e Nim 0 005L tes J O 30 20 10 O 10 20 30 T C Figura 4 9 Andamento della tensione superficiale 14 Una delle pi importanti caratteristiche dei fluidi supercritici in prossimit del punto critico la forte variazione delle loro propriet termodinamiche in funzione della
128. odo da trovarsi sempre in condizioni di ciclo transcritico 5 2 Determinazione dei punti caratteristici A partire da questi vincoli iniziali il software utilizzato fornisce in output 1 valori di temperatura pressione entalpia ed entropia di ogni punto caratteristico del ciclo Punto 1 temperatura di evaporazione imposta tey pressione di evaporazione corrispondente p1 entalpia h ed entropia s del punto trovato Tale punto si trova necessariamente in zona suberitica all interno della superficie di saturazione perci una volta fissata la temperatura si determina di conseguenza anche la relativa pressione Punto 2 tale punto si determina considerando l entalpia del punto in ingresso al compressore h 11 rendimento isoentropico del compressore nic e la pressione transcritica di fine compressione scelta p2 Utilizzando come input la pressione del fluido in uscita p2 e l entropia del punto 2 s2 che per rendimento isoentropico unitario uguale a quella del punto 1 s1 possibile determinare entalpia ideale del punto 2 lia corrispondente ad un rendimento isoentropico del compressore pari a 1 Mic 1 la temperatura del punto 2 ideale tzia 69 Successivamente nel caso di rendimento isoentropico reale utilizzando la relazione h gt ia h Nic Chzia i 5 1 h2 h1 possibile trovare l entalpia reale di fine compressione h2 Con tale entalpia utilizzando la pr
129. oluzione a bassa pressione 10 e valvola di espansione per operare l espansione del fluido operativo dalla zona di alta pressione a quella di bassa pressione Wasp i ngn i 400 E Er i l il E 3 Figura 1 7 Schema impiantistico di una pompa di calore ad assorbimento 4 N Il vapore a bassa pressione presente nell evaporatore condotto verso l assorbitore nel quale viene assimilato da parte di una soluzione assorbente si genera cos un processo esotermico che provoca un aumento della temperatura del fluido operativo Poich assorbendo vapore la soluzione tende a perdere la propria capacit di assorbimento essa viene condotta all interno del generatore dove il fluido operativo si separa dalla soluzione assorbente questo processo reso possibile grazie alla somministrazione ad alta temperatura di calore dall esterno e permette alla soluzione di rigenerarsi tornando alla concentrazione di partenza Successivamente la sostanza assorbente ritorna all assorbitore attraverso una valvola di espansione mentre 1l fluido operativo passa in fase liquida all interno del condensatore dove si verifica la cessione di calore all ambiente esterno esso viene infine riportato nell evaporatore dopo essere transitato attraverso la valvola di laminazione che lo porta alla pressione di evaporazione 11 1 4 Le sorgenti delle pompe di calore a compressione Le pompe di calore presenti sul mer
130. on glide trascurabile Rispetto all R32 esso presenta una minore efficienza teorica a causa della sua bassa temperatura critica e delle pressioni operative pi elevate tale limite per compensato con migliori caratteristiche di scambio termico L R410a una miscela molto densa in fase di vapore perci possibile sfruttare a parit di potenza resa componenti meccanici e tubazioni di ridotta grandezza cos come possibile ridurre la carica del fluido 3 6 Gli indici di impatto ambientale A causa dell elevato impatto ambientale dei fluidi frigorigeni sintetici CFC HCFC e HFC responsabili dei danni allo strato di ozono stratosferico e dell aumento dell effetto serra sono stati definiti alcuni indici di compatibilit ambientale gt ODP Ozone Depletion Potenzial indica la potenzialit distruttiva di un fluido sull ozonosfera ed calcolato come il rapporto tra la variazione di altezza della colonna di ozono calcolata per unit di massa di refrigerante immessa in atmosfera con la corrispondente variazione calcolata per unit di massa di R11 gt GWP Global Warming Potential esprime il potenziale di effetto serra di una sostanza ed definito come 1l rapporto tra l effetto serra in un prefissato intervallo di tempo dovuto all emissione di un unit di massa di refrigerante e l effetto serra dovuto all emissione di un unit di massa di anidride carbonica nello stesso tempo Nella Tabella 3 1ven
131. on presenza di ossigeno gt presenza di elementi nutritivi biofilm scorie ioni di ferro e cacare microrganismi gt polverizzazione dell acqua con formazione di microgocce aventi diametri variabili da 1 um a 5 um 136 gt alto livello di contaminazione generalmente superiore a 1000 Cfu l Cfu l l unit di misura con cui si valuta la contaminazione dell acqua ed indica la quantit di microrganismi presenti in un litro d acqua In merito alla soglia di pericolo va considerato che in Francia tramite una circolare del settembre 2002 la Direction Generale de la Sant ha fissato 1 seguenti valori e 1000 Cfu l per le zone che ricevono pubblico e 100 Cfu l per le zone riservate a trattamenti debilitanti o ad immunodepressi I primi casi di legionellosi sono stati attribuiti quasi esclusivamente a batteri provenienti da torri di raffreddamento condensatori evaporativi e unit di trattamento aria per diversi anni quindi si ritenuto che gli impianti di condizionamento fossero 1 principali se non gli unici responsabili della diffusione della malattia In realt sono a rischio tutti gli Impianti ed 1 trattamenti tecnologici che operano nelle condizioni elencate in precedenza quindi gli impianti che comportano un moderato riscaldamento dell acqua e la sua nebulizzazione poich nella pratica la legionella riesce sempre a trovare sostanze nutritive In seguito vengono riportati gli impianti ed 1 relativi punti
132. oni industriali per la pastorizzazione pompe di calore recupero di calore di scarto ed industrie alimentari 25 Figura 6 16 Scambiatore di calore saldobrasato Essi trovano largo impiego laddove l utenza richieda pressioni e temperature di esercizio particolarmente elevate fino a 40 bar e 195 C il processo di brasatura che fissa il pacco piastre in totale assenza di guarnizioni permette di ottenere elevate potenze termiche ed ingombri molto ridotti La superficie di scambio termico funzionante con configurazione a flusso parallelo ottenuta mediante la saldobrasatura di piastre in acciaio AISI 304 o AISI 316 corrugate All interno del pacco piastre si formano i canali di scorrimento per 1 fluidi circuito primario e secondario che lambiscono in controcorrente le facce opposte di ciascuna piastra Le corrugazioni di piastre contigue si toccano formando canalizzazioni frammentarie e molto fitte tali da far diventare 1 moti dei fluidi circolanti estremamente turbolenti I quattro fori presenti su ogni piastra grazie al loro perfetto allineamento consentono la formazione di quattro collettori di alimentazione e di raccolta dei fluidi che vengono riportati all esterno attraverso quattro passaggi posti sulla superficie della piastra di contenimento anteriore La saldobrasatura viene eseguita nella periferia delle piastre e nei punti di contatto che vengono a formarsi fra le corrugazioni a V delle piastre stesse sovrap
133. ono posizionati in una fascia di terreno influenzata dalla temperatura esterna dell aria quindi presentano un margine termico operativo minore rispetto a quello disponibile per 1 sistemi verticali lo svantaggio tecnico di questi sistemi legato alla disponibilit di temperature di evaporazione minori viene compensato dal sovradimensionamento della rete di captazione orizzontale dato che per queste tipologie di impianti l incremento della rete superficiale comporta minimi incrementi di costo rispetto al sistemi verticali La soluzione circolante nelle sonde pu raggiungere temperature minori di 0 C provocando la formazione di cristalli di ghiaccio per evitare fenomeni di 19 q solidificazione del fluido necessario aggiungere alla soluzione un liquido antigelo Queste miscele a base di glicole etilenico o polipropilenico permettono di abbassare la temperatura di congelamento del fluido in proporzione alla percentuale in soluzione di solito con una percentuale prossima al 20 le temperature di congelamento sono prossime a 10 C L utilizzo di queste soluzioni presenta come controindicazione un aumento della viscosit del fluido e una diminuzione della capacit di scambio termico All interno del prossimo capitolo verranno descritte in dettaglio le caratteristiche tecniche delle pompe di calore geotermiche concentrando l attenzione sulla scelta fra sonde orizzontali o sonde verticali 1 5 Vantaggi e limiti delle pompe d
134. opy kJ kg K 12 MPa 14 MPa 20 0 20 40 60 80 100 120 Figura 4 3 Entropia ed entalpia al variare di temperatura e pressione 14 La pressione di vapore dell anidride carbonica decisamente maggiore rispetto agli altri refrigeranti Figura 4 4 e l elevata ripidezza in prossimit del punto critico comporta una minore variazione della temperatura per lo stesso delta di pressione in questo modo la variazione di temperatura associata ad una certa caduta di pressione all interno dell evaporatore minore rispetto ai fluidi tradizionali 10 T j T r l i 5 s R 44 R JU10A aL R 717 n RADO R 290 6 R 134a a R12 a A i e EIA Arci ii De Figura 4 4 Pressione di vapore per retrigeranti diversi 14 Per esempio a 0 C la variazione di temperatura dell R744 per una caduta di pressione di 1 kPa circa 0 01 C mentre lo stesso calo di pressione per l R410a e 1 R134a provoca rispettivamente una riduzione di temperatura di 0 04 C e 0 1 C cio da quattro a dieci volte maggiore come mostrato in Figura 4 5 53 R 12 J R 13d4a R 2 0 15 i d Rd0 C La R 22 e ass Mel if mi R d410A 0 1 a R 7 4 I e F 44 san Dl 0 05 ka L ua a O 40 20 i 20 40 60 40 100 Figura 4 5 Confronto fra le curve dT dp per diversi retrigeranti 14 Il diagramma di Figura 4 6 mostra la densit della CO
135. ore Poich il fluido frigorifero esce dalla valvola di espansione allo stato di vapore saturo buona norma coibentare l uscita della valvola e la connessione con l evaporatore al fine di evitare la formazione di condense che potrebbero ostruirne il passaggio come mostra la Figura 6 51 Figura 6 51 Coibentazione della valvola di laminazione N Esaminato il circuito dell anidride carbonica si posta l attenzione sui rami dell impianto che permettono di realizzare lo scambio termico all interno di 122 evaporatore e gas cooler nel primo infatti 1 R744 assorbe calore in controcorrente dalla miscela formata da acqua e glicole che circola nella sonda geotermica nel secondo invece cede calore in controcorrente all acqua proveniente dall impianto idrico o da un accumulo inerziale Come si nota in Figura 6 52 la circolazione del fluido assicurata dall utilizzo di due pompe centrifughe Wilo Stratos 30 1 12 esse permettono di elaborare portate elevate ottenute nella realizzazione della pompa di calore a CO2 garantendo una prevalenza superiore a 3 mca valore normalmente richiesto nelle applicazioni geotermiche come si ricava dalla curva caratteristica in Figura 6 53 i EG D Figura 6 52 Vista posteriore della macchina a sinistra si ha la connessione all impianto sanitario a destra si ha il collegamento alla sonda geotermica Hjm Wilo Stratos 25 1 12 Wilo Stratos 30 1 12 12 PE
136. oste le utenze e gli impianti pi esposti a rischio sono ospedali cliniche case di cura e simili alberghi caserme campeggi e strutture ricettive in genere impianti per attivit sportive e scolastiche edifici con torri di raffreddamento piscine stabilimenti termali fontane decorative e cascate artificiali In Italia 1 principali documenti di riferimento sono le Linee Guida per la prevenzione ed il controllo della legionellosi predisposte dal Ministero della Sanit ed adottate dalla Conferenza Stato Regioni 11 4 4 2000 Secondo tale normativa possono essere responsabili di eventuali episodi di decesso tutte le figure coinvolte nel processo di progettazione realizzazione collaudo manutenzione ed utilizzo dell impianto ovvero progettista general contractor produttori di apparecchiature installatore collaudatore tecnico manutentore proprietario e gestore I batteri della legionella sono presenti nei fiumi nei laghi nei pozzi e nelle acque termali Possono essere presenti anche negli acquedotti in quanto sono in grado di superare 1 normali trattamenti di potabilizzazione Tuttavia la sola presenza di questi batteri non costituisce pericolo per le persone I batteri diventano pericolosi solo quando sussistono contemporaneamente le seguenti condizioni gt temperatura ottimale di sviluppo varia da 25 C a 42 C la crescita dei batteri massima a circa 37 C gt ambiente aerobico cio ambiente c
137. ot water systems 2013 30 Ente Nazionale Italiano di Unificazione UNI EN 16147 Pompe di calore con compressore elettrico Prove e requisiti per la marchiature delle apparecchiature per acqua calda sanitaria Milano 2011 31 Decreto Legislativo 3 marzo 2011 n 28 Attuazione della direttiva 2009 28 CE sulla promozione dell uso dell energia da fonti rinnovabili recante modifica e successiva abrogazione delle direttive 2001 77 CE e 2003 30 CE 2011 32 M Corradi Analisi teorica e sperimentale di sistemi frigoriferi operanti con CO Universit degli Studi di Padova 2004 33 N Calabrese G Oliveti V Marinelli R Mastrullo A Mauro Messa in funzione analisi sperimentale e caratterizzazione della pompa di calore a CO2 Universit della Calabria ENEA 2012 34 http www enea it 35 http www caleff1 it 36 http www centrogalileo it 37 http www rossatogroup com 38 http www florinigroup it 39 http www et dtu dk CoolPack 40 http www climatizzazione it 41 http www myclima it 42 http www danfoss com 43 http www gea phe com 44 http www bock de 45 http www emersonclimate com 153 46 http www ellotherm com 47 http www alfalaval com 48 http www sciencedirect com 49 http www carel com 50 http www wilo it 51 http www mutmeccanica com 52 http www termalgroup com 53 http www mitsubishi com 54 http www avdel global com 55 http www
138. poste 93 in modo alternato Figura 6 17 possibile utilizzare fluidi sia allo stato liquido che allo stato aeriforme Canali che si creano con il contatto delle piastre corrugate a W Figura 6 17 Particolare della brasatura fra le piastre 19 I materiali di brasatura pi utilizzati sono rame e nickel la Tabella 6 1 ne riporta 1 possibili impieghi Wine Heat Racoreny intonaci ticino Machine LI a Pasttynzer beydbrandio System find Power Fon Er s Food Procsszing Li Li Funi Cell Eva O Deue haaten aaier Ai Econcencer Dil Cool Preconien Pre baatet a Tabella 6 1 Applicazioni degli scambiatori di calore saldobrasati 19 94 6 2 1 Dimensionamento dell evaporatore La scelta dei parametri progettuali necessari per dimensionare l evaporatore stata effettuata rispettando 1 vincoli imposti dalla normativa UNI EN 16147 che specifica 1 metodi di prova per le prestazioni delle pompe di calore aria acqua miscela incongelabile acqua acqua acqua e terreno acqua con compressore elettrico comprendenti o connesse ad un serbatoio di acqua calda sanitaria Per quando riguarda le pompe di calore geotermiche le cui sonde scambiano calore con il terreno sono imposte le seguenti temperature di riferimento 30 e 0 C come temperatura della soluzione composta da acqua e glicole in ingresso all evaporatore e 3 C come temperatura di ritorno del
139. pressioni di funzionamento 101 P di e i Mi p fi msa G Figura 6 23 Disegno del gas cooler AXP52 74H F Come l evaporatore presenta quattro connessioni 1 due bocchelli ai quali vengono saldati 1 tubi lato fluido frigorifero e 1 due manicotti filettati ai quali verranno fissati 1 collettori lato impianto idrico Figura 6 24 Figura 6 24 Rappresentazione delle connessioni del gas cooler 102 6 3 Realizzazione del telaio della pompa di calore Noti gli ingombri del compressore e dei due scambiatori di calore si proceduto a dimensionare il basamento e la parete posteriore su cui fissare tali componenti si scelto di utilizzare delle lamiere in acciaio zincato con spessore pari a 3 mm Il basamento presenta una lunghezza di 941 mm una larghezza di 857 mm ed un altezza di 59 3 mm la schiena dell impianto invece caratterizzata da una larghezza di 865 mm un altezza di 995 mm ed una profondit di 139 mm Come si nota dalle Figure 6 25 e 6 26 l intera struttura poggia su quattro piedini antivibranti in gomma Figura 6 25 Vista dimetrica della struttura 103 Figura 6 26 Particolare della parte inferiore della struttura Il compressore poggia su due lamiere ad omega fissate al basamento tramite rivetti monobolt in acciaio AISI 316 lega che presenta nella sua composizione chimica un elevata percentuale di nichel e molibdeno quindi dotata di una notevo
140. problema degli idrocarburi la sicurezza a causa della loro infiammabilit perci vengono utilizzati solo in applicazioni dove richiesta una bassa carica di refrigerante Dall altra parte l ammoniaca crea problemi per la sua tossicit poich sia in fase liquida che gassosa pu provocare ustioni alla pelle ed all apparato respiratorio classificata moderatamente infiammabile ma diventa esplosiva nel momento in cui la sua concentrazione nell aria risulta essere fra 1l 13 e 11 27 Inoltre a contatto con il rame pu provocare importanti corrosioni che possono incidere sul funzionamento dei vari componenti del circuito frigorifero L anidride carbonica non n infiammabile n tossica ed compatibile nei confronti della maggior parte dei materiali metallici ed elastomerici Come fluido facilmente reperibile economico ed ha un impatto ambientale estremamente ridotto dato che il suo potenziale di effetto serra unitario ma pu anche essere considerato nullo se tale fluido frigorigeno viene recuperato come prodotto di scarto di attivit industriali Negli ultimi anni numerose sperimentazioni industriali ed accademiche stanno cercando di determinare se l efficienza energetica ed il costo degli impianti operanti con anidride carbonica possano competere con le soluzioni tradizionali attualmente in commercio 48 CAPITOLO 4 4 1 L anidride carbonica come fluido refrigerante R744 La scoperta dell anidride carboni
141. problemi di impoverimento energetico del sottosuolo con conseguente riduzione dell efficienza dell impianto In questo caso l errore di progetto non geologico ma impiantistico con sottodimensionamento delle richieste energetiche dell edificio Gli inconvenienti pi comuni associati ad un impoverimento progressivo del sottosuolo per eccessivo sfruttamento energetico sono 1 seguenti e i consumi energetici della pompa di calore aumentano e le temperature del campo sonde diminuiscono e insorgono blocchi macchina con fenomeni di congelamento degli scambiatori geotermici 26 2 2 Le sonde geotermiche verticali Una sonda geotermica verticale in Figura 2 1 possibile vederla integrata all intero impianto domestico uno scambiatore geotermico posizionato nel terreno che permette di assorbire o cedere energia termica per mezzo di un fluido termovettore acqua con soluzione antigelo Essa consiste in una perforazione di profondit variabile al cui interno vengono inserite una o pi tubazioni a circuito chiuso terminate le fasi di perforazione e posa della tubazione si provvede alla cementazione della sonda con una miscela cementizia Figura 2 1 Impianto a pompa di calore con sonde geotermiche verticali 8 La profondit di progetto per una sonda verticale variabile tra 80 m e 120 m le ragioni della scelta di tali misure sono dettate principalmente dalla capacit di tiro 27 delle macchine perforatrici e d
142. quest ultimo un settore in continuo sviluppo grazie alla capacit di tali sistemi di produrre energia termica da fonti rinnovabili Negli ultimi decenni infatti all interno dell opinione pubblica mondiale cresciuta l attenzione sulle problematiche ambientali in particolare riguardo a come riuscire a produrre energia riducendo le emissioni di gas inquinanti dannosi per l ozonosfera e generanti l effetto serra l utilizzo dell anidride carbonica R744 come fluido refrigerante permette di ridurre sensibilmente tali emissioni rispetto al fluidi frigoriferi sintetici normalmente utilizzati Durante questo periodo trascorso in azienda ho in un primo momento approfondito le mie conoscenze sulla tecnologia delle pompe di calore mentre in seguito mi sono concentrato sulle propriet dell anidride carbonica al fine di esaminarne le potenzialit come fluido refrigerante L obiettivo da raggiungere infatti quello di realizzare pompe di calore geotermiche in cui la CO sostituisca 1 fluidi sintetici pi diffusi come l R134a o R410a Nello svolgimento di questa analisi ho utilizzato una serie di software per lo studio di cicli frigoriferi come CoolPack o Simple One Stage CO2 Cycle che mi hanno permesso di esaminare 1 parametri che influenzano maggiormente l efficienza dei cicli frigoriferi ad anidride carbonica in modo da trovare del valori progettuali da introdurre in input nella realizzazione dell impianto al fine
143. rgente geotermica 7 2 3 8 13 Temperatura di evaporazione C Figura 5 5 Influenza della temperatura di evaporazione sul COP 75 5 4 Confronto fra 1 R744 e 1 R410a L analisi teorica del funzionamento di un impianto di refrigerazione o di una pompa di calore operanti con un determinato fluido operativo va affrontata confrontandolo con un sistema funzionante con un refrigerante di riferimento In questa simulazione si deciso di confrontare il funzionamento teorico di un ciclo a semplice compressione operante a R744 con quello funzionante a R410a uno dei fluidi sintetici pi utilizzati nelle pompe di calore 5 4 1 Definizione del ciclo per 1 R410a Nella realizzazione del ciclo frigorifero ad R410a sono state adottate le stesse ipotesi di partenza utilizzate per lo studio dell R744 in modo da stabilire un confronto attendibile fra 1 due fluidi L unico limite posto dalle condizioni di condensazione in quanto 1 fluidi sintetici operano in regime suberitico ovvero all interno della zona di saturazione ne deriva che l analisi del ciclo ad R410a definita fino ad una temperatura di condensazione massima di 60 C ed una pressione massima di 40 bar come si vede anche nel Diagramma di Mollier caratteristico di tale fluido in Figura 5 6 d SFR EER 2 i 20 00 AAAA TTT na j AD i IA m i Vs an aaa vara is SAL ALAA HAH A ho X m a E ATETA UTT I Te ta y 5i 7 SL BIN aci METTA i A I sl LT
144. ri di calore a piastre in cui le ampie superfici di scambio termico ed il particolare moto turbolento impresso ai due fluidi permettono di ottenere elevati valori del coefficiente di scambio termico Dal grafico ottenuto si nota come il COP per il refrigerante R410a presenti un valore massimo di 3 905 per una temperatura di 15 C dell acqua in ingresso al condensatore e 45 C in uscita per poi decrescere fino ad un valore minimo di 2 294 per 65 C in uscita Invece l R744 il cui COP dipende dalla temperatura dell acqua in ingresso al gas cooler e non in uscita presenta gli stessi valori del caso precedente interessante notare come la curva di prestazione dell anidride carbonica presenti un brusco calo in prossimit dei 30 C quindi emerge la necessit di introdurre acqua a temperature basse Nelle applicazioni reali ci implica l utilizzo dell R744 in impianti che possiedono dispositivi di stoccaggio dell acqua in modo da creare una stratificazione ben controllata In questo modo possibile sfruttare al meglio 1l ciclo transcritico data anche l impossibilit di ottenere acqua calda istantanea da parte di un impianto operante a pompa di calore se non disponendo di un elevata potenza elettrica La stratificazione dell acqua nei serbatoi permette di mantenere a temperature differenti grandi portate d acqua che possono essere reintrodotte all interno del circuito della pompa di calore per vari stadi di riscaldamento
145. riore alla temperatura della cella frigorifera mentre T deve essere superiore alla temperatura atmosferica 1 2 Il ciclo inverso standard L impossibilit di realizzare nella realt un ciclo inverso di Carnot dovuta principalmente a due cause m la compressione di una miscela di liquido e vapore richiederebbe un compressore in grado di trattare contemporaneamente le due fasi m difficolt relative all espansione del refrigerante in presenza di un elevato contenuto di fase liquida Questi problemi possono essere superati vaporizzando completamente 1l refrigerante prima che sia compresso e sostituendo l espansione in turbina con un processo di laminazione in una valvola o in un tubo capillare Il ciclo che si ottiene detto ciclo inverso a compressione standard costituito da quattro trasformazioni Figura 1 3 1 2 compressione isoentropica in un compressore 2 3 cessione di calore a pressione costante in un condensatore 3 4 laminazione in una valvola o in un tubo capillare 4 I assorbimento di calore a pressione costante in un evaporatore Liguido saturo Q Vapore saturo Figura 1 3 Diagramma T s di un ciclo inverso standard 2 1 3 Classificazione delle pompe di calore Per pompa di calore si intende un installazione che operando con continuit preleva calore da una sorgente a temperatura pi bassa e lo rende disponibile assieme all equivalente termico dell
146. rmodinamico stato necessario esaminare prima le prestazioni degli scambiatori di calore presenti sul mercato considerando le particolari propriet dell anidride carbonica nel confronto con 1 refrigeranti tradizionali 86 6 2 Gli scambiatori di calore Una scelta corretta della geometria e del dimensionamento della superficie di scambio termico di evaporatore e gas cooler fondamentale per ottenere la massima efficienza energetica del ciclo la quale si ripercuote sul valore del COP della pompa di calore Il grado di ottimizzazione riguarda principalmente 1l disegno dei circuiti percorsi dal fluido frigorifero nonch la scelta del tipo di geometria in grado di realizzare il miglior compromesso tra cadute di pressione e coefficiente di scambio termico La determinazione dei componenti pi adatti ad essere inseriti all interno del ciclo transcritico a CO stata effettuata con l ausilio dell azienda Alfa Laval specializzata nella produzione di scambiatori di calore a piastre per il settore della refrigerazione nel quale l utilizzo dell R744 come fluido operativo sta prendendo il sopravvento da diversi anni rispetto ai fluidi sintetici tradizionali Gli scambiatori di calore a piastre si differenziano da quelli a fascio tubiero a spirale a serpentino o ad alette per la loro propriet di essere estensibili ovvero permettono anche ad installazione eseguita di aumentare o diminuire la potenza di scambio garantendo in ogn
147. taminata e neppure per trasmissione diretta tra uomo e uomo Pu colpire anche persone sane e in buona salute come dimostra il caso dei reduci di Filadelfia Tuttavia fattori che predispongono alla malattia sono l iImmunodeficienza le malattie croniche 1l fumo l etilismo et il sesso del paziente Il grafico in Figura 7 2 evidenzia l incidenza dell et e del sesso nei casi registrati in Francia nel 1998 Casi 100 000 Et Figura 7 2 Incidenza della legionella secondo l et ed 11 sesso 27 Negli Stati Uniti si ritiene che ogni anno 1 casi di legionellosi siano non meno di 11000 in Italia annualmente 1 casi notificati sono circa 150 Tuttavia s1 ritiene che 1 casi effettivi siano almeno dieci volte superiori Uno dei principali motivi per cui la malattia sottostimata dovuto come spiegato in precedenza al fatto che la legionellosi non ha caratteristiche cliniche in grado di distinguerla chiaramente da altre forme di polmonite Data la pericolosit della malattia nella maggior parte degli Stati europei 1 casi di legionellosi devono essere notificati alle competenti Autorit Sanitarie 135 In Italia prevista la notifica obbligatoria in classe II del D M 15 12 90 ogni anno 1 dati relativi al casi segnalati sono pubblicati sul Bollettino Epidemiologico del Ministero della Sanit ripartiti per regione provincia e sesso In base alle considerazioni precedentemente esp
148. tanio monel incoloy hastelloy la scelta del materiale dipende principalmente da compatibilit ed inattaccabilit chimica al contatto con 1 vari fluidi e quindi in ultima analisi dalla resistenza alla corrosione Generalmente la scelta finale fra uno scambiatore a fascio tubiero ed uno a piastre nettamente favorevole a quest ultimo dato 11 maggior coefficiente globale di scambio termico e quindi la minor superficie impiegata Anche gli spessori sono notevolmente pi sottili pur non pregiudicando la durata e la sicurezza degli apparecchi Gli scambiatori a fascio tubiero hanno in generale molte zone di saldatura che innescando fenomeni di corrosione possono portare alla foratura anche degli spessori pi elevati Lo scambiatore a piastre lisce offre dei vantaggi anche rispetto a scambiatori a piastre corrugate in cui rugosit e snervamento del materiale dettati dallo stampaggio possono innescare fenomeni corrosivi 91 Un fattore da valutare con attenzione la tendenza di ogni fluido a formare sulle superfici di scambio pellicole di sporco e incrostazioni fino a veri e propri intasamenti Qualitativamente si pu affermare che 1 fattori che influenzano il pi o meno rapido sporcamento di uno scambiatore sono la velocit dei fluidi lo stato e la geometria delle superfici di scambio la velocit che all interno di qualsiasi scambiatore continuamente variabile in direzione e modulo da punto a punto a causa del percorso
149. tazione 11 pi possibile completa che descriva in modo sintetico ma allo stesso tempo esaustivo tutti 1 componenti dell impianto e le fasi della progettazione 151 Bibliografia 1 R Lazzarin Pompe di calore Parte teorica parte applicativa Ferroli 2010 2 Y A Cengel Termodinamica e trasmissione del calore McGraw Hill 2009 3 M Doninelli Le pompe di calore Idraulica 33 Caleffi 2007 4 L Socal A Pedull Pompe di calore Informazione tecnico normativa 2005 5 D Rossato C Trivigno Pompe di calore per riscaldamento condizionamento e acqua calda sanitaria Rossato Group 6 C Casale G Colli W Pennati F Pettoross1 Libro bianco sulle pompe di calore Co Aer 2008 7 M Tornaghi Geotermia Manuale tecnico pratico per la realizzazione di un impianto geotermico Sistemi Editoriali Esselibri 2010 8 M Di Pietrantonio Sonde orizzontali vs sonde verticali Studio Termotecnico Ing Di Pietrantonio 2013 9 Haka Gerodur Sistema a sonde geotermiche Catalogo Europa 2008 10 M Doninelli Impianti a pompe di calore geotermiche Idraulica 38 Caleffi 2010 11 A Cavallini L Mattarolo Termodinamica Applicata Padova 1988 12 S Falcioni A Cocchi Il regime transitorio negli impianti di climatizzazione e conseguenze sul risparmio energetico Universit degli studi di Bologna 13 R Lamura L Molinaroli Progettazione di un circuito di prova per macchine a compressione di vapore a
150. temperatura T costanti il fluido condensa all interno di uno scambiatore di calore chiamato condensatore cedendo all esterno una quantit di calore per unit di massa uguale a Q2 h2 hs e Espansione adiabatica 3 4 a partire dallo stato di liquido saturo nel punto 3 il fluido si espande in maniera isoentropica dalla pressione p2 alla pressione pi tramite un espansore a cui cede un lavoro specifico uguale a L34 h3 h4 e Assorbimento di calore isotermo 4 1 il fluido frigorigeno tende ad evaporare parzialmente all interno di uno scambiatore di calore chiamato evaporatore assorbendo dall esterno a pressione costante p una quantit di calore definita da Q h h4 K Temperature Sglurated I i liguid Entropy kJ kg K Figura 1 2 Diagramma T s del ciclo di Carnot inverso 2 Tutte le trasformazioni che avvengono nel ciclo di Carnot sono reversibili in quanto 1 processi 1 2 e 3 4 avvengono senza attriti e sono adiabatici poich non si hanno scambi di calore con l esterno I processi reversibili adiabatici hanno luogo a entropia costante quindi 1l ciclo di Carnot consiste di due processi a entropia costante e due a temperatura costante Dato che la reversibilit di queste trasformazioni non pu essere riprodotta nella realt 11 ciclo frigorifero di Carnot puramente ideale ma rappresenta un importante modello di confronto con 1 cicli reali per quanto
151. temperatura nei processi a pressione costante specialmente vicino al punto pseudocritico che corrisponde alla temperatura in cui il calore specifico massimo Figura 4 10 56 30 T t T T T T T T T j TTI AMM eee eee e nn 14 MPa 25 i 12 MPa i 10 Mpa 80 i 40 i are i 20 pe Wag pa l 604 ez 430 E x 15 i X ti pa E ao i Pe sali ss 20 Sa all S N 20 10 0 0 5 5 10 12 14 16 P MPa Figura 4 10 Temperatura pseudocritica e calore specifico a pressione costante per l anidride carbonica 14 La temperatura pseudocritica dell R744 calcolata utilizzando la seguente equazione sperimentale Tpseudo 122 6 6 124p 0 1773p 0 0005608p 75 lt p lt 140 4 1 dove la temperatura misurata in gradi celsius e la pressione in bar Al crescere della pressione i picchi del calore specifico cp diminuiscono di intensit e cresce la temperatura alla quale si raggiungono per temperature elevate come si vede chiaramente in Figura 4 11 risulta avere andamento pressoch costante e varia molto poco con la pressione in DI 40 2 Tempe ralura silice sie RI p 75 bar 35 Pressione cntica 73 773 bar o P 80 bar 9 30 P 90 bar v l cm CH Pa P 100 bar g P 110 bar DL P 120 bar So 20 23 A i a 2 m i g I iii FAR E 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Temperatura C Figura 4 11
152. temperature normalmente utilizzate la legionella non pu svilupparsi nei bollitori bens soltanto nelle reti di distribuzione e di ricircolo Per realizzare una corretta disinfezione termica di questi impianti si pu 1 by passare il miscelatore con una valvola elettrica a due vie comandata da un orologio programmatore 2 fissare per mezzo di un termostato a 60 C la temperatura di produzione dell acqua calda 3 mandare in apertura la valvola di by pass per mezz ora nel periodo notturno considerato a minor consumo d acqua facendo circolare acqua a 60 C Per attuare la disinfezione notturna possono essere utilizzate le soluzioni tecniche mostrate in Figura 7 3 Il primo schema utilizza un miscelatore elettronico con centralina programmabile su due livelli di temperatura quello per il funzionamento normale e quello per la disinfezione notturna il secondo invece utilizza un miscelatore termostatico e valvole a due vie asservite da un orologio programmatore Le valvole a due vie sono poste a by pass del miscelatore su un braccio del ricircolo in regime normale la valvola del ricircolo aperta mentre chiusa quella di by pass del miscelatore Al contrario durante la disinfezione notturna la valvola di by pass aperta mentre viene chiusa quella del ricircolo 139 Funzionamento normale Funzionamento normale Schema di regolazione e disinfezione termica con Schema di regolazione e disinfezione termica con miscelatore elet
153. ti Figura 6 31 Coibentazioni degli scambiatori di calore In seguito stata effettuata l installazione di evaporatore e gas cooler sulla parete posteriore della pompa di calore Figura 6 32 il primo viene fissato tramite il semplice serraggio di due prigionieri mentre per il secondo caratterizzato da un peso ed ingombri maggiori stato ideato un particolare piedino appoggiato al basamento Figura 6 32 Montaggio degli scambiatori di calore 106 Anch esso costuito da lamiera zincata di 3 mm ed dotato di quattro asole che ne permettono il fissaggio con il basamento e con il gas cooler tramite bulloni M8 come rappresenta la Figura 6 33 al fine di non provocare un accoppiamento diretto fra piede e coibentazione che provocherebbe lo schiacciamento di quest ultima stata prevista l introduzione di boccole in acciao zincato in corrispondenza dei bulloni Figura 6 33 Disegno del piedino di sostegno del gas cooler Il passo successivo ha riguardato la scelta della valvola di laminazione necessaria a garantire il passaggio di stato da gas a liquido dell anidride carbonica in uscita dal gas cooler attraverso una trasformazione isoentalpica che abbatte il valore della pressione portandola dagli 80 bar di mandata a circa 30 bar in ingresso all evaporatore Tale operazione permette di completare 1l circuito termodinamico rappresentato in Figura 6 34 sul quale si basa il funzionamento della macchina
154. tivit termica e la viscosit in condizioni subceritiche e al variare della temperatura Un elevata conducibilit termica essenziale per avere elevati coefficienti di scambio termico sia per flussi monofase che per flussi bifase la viscosit in particolare per la fase liquida un parametro caratteristico del comportamento del fluido all interno dello scambiatore e delle propriet convettive del flusso bifase Come mostra 1l grafico in Figura 4 12 al variare della pressione la viscosit cinematica si mantiene piuttosto ridotta ci permette alla CO di scorrere in modo pi fluido all interno del circuito frigorifero e di miscelarsi in modo migliore con 1 lubrificanti all interno dei condotti e del compressore 0 15 r T T T 7 T T T 7 T T y 180 T T T T ti T _ 14 MPa 12 MPa 10 MPa 8 MPa 4 MPa 14MPa 160 12MPa 10MPa 8 MPa k Wm K u kg m s Sn x o ee Tua n ecco ae a s ma a a O a 20 0 20 40 60 80 100 120 20 0 20 40 60 80 100 120 T c T C Figura 4 12 Conduttivit termica e viscosit cinematica della CO 14 58 La Figura 4 13 rappresenta il numero di Prandtl ovvero il rapporto fra la diffusivit molecolare e la diffusivit termica di un fluido definito secondo la seguente relazione bi Ar pi C P Per l anidride carbonica massimo in corrispondenza della temperatura SE
155. to di vista costruttivo 1l telaio formato da due pareti una fissa ed una mobile che per mezzo di tiranti bloccano in un unico pacco le piastre dovendo sopportare notevoli pesi e pressioni deve essere adeguatamente robusto Come si nota in Figura 6 10 il corretto serraggio dei tiranti consente tramite lo schiacciamento delle guarnizioni in gomma la perfetta tenuta dell apparecchio Figura 6 10 Assemblaggio di uno scambiatore a piastre 18 88 I bocchelli di connessione allo scambiatore che possono essere realizzati in diverse configurazioni filettati maschio filettati femmina predisposti per flange o per essere saldati a tubi sono in genere collocati sul piastrone fisso per agevolare le operazioni di manutenzione Le due barre d allineamento o di guida delle piastre sono anch esse componenti essenziali e spesso svolgono pure una funzione di supporto delle piastre La soluzione a piastre lisce consigliata per fluidi che richiedono un elevato livello di igiene e nelle situazioni in cui si hanno portate molto differenti nei due circuiti le guarnizioni in gomma sono fissate sotto un bordo ripiegato ad U e presentano un apposita sede in cui inserire 1 turbolatori Figura 6 11 PIASTRA LISCIA GUARNIZIONE TURBOLATORE PIASTRA LISCIA PIASTRA LISCIA Figura 6 11 Ancoraggio della guarnizione della piastra liscia e sue componenti Nelle lastre corrugate ottenute per stampaggio le guarnizioni in gomma sono
156. tronico antilegionella miscelatore termostatico l Figura 7 3 Schemi di disinfezione termica notturna 27 7 5 Preparatori rapidi di acqua calda I preparatori rapidi sono utilizzati per la produzione semi istantanea di acqua calda in ristoranti alberghi campi sportivi ed in piccole o medie comunit L uso di un accumulo e di uno scambiatore a piastre esterno consente di ridurre al massimo l ingombro dell apparecchiatura ottimizzando 1il rapporto esistente fra la potenza etfettiva della caldaia e la capacit dello scambiatore di calore comportando 1 seguenti vantaggi e riduzione del volume di accumulo rispetto ad un bollitore tradizionale e maggiore rapidit nella produzione di un determinato volume di acqua calda e possibilit di personalizzare l abbinamento tra il volume accumulo e la capacit dello scambiatore La Figura 7 4 mostra il preparatore rapido per acqua calda AFK Fiorini Tale sistema non viene utilizzato nella realizzazione di impianti serviti da pompa di calore poich si andrebbe a generare una ridondanza di scambiatori causata dal collegamento in serie con il condensatore che impedisce di sfruttare al massimo la potenza termica prodotta 140 USCITA n ACQUA CALDA SANITARIO VASO DI ESPANSIONE ANODO SIMPLETEST VALVOLA DI SICUREZZA SCAMBIATORE gt DI CALORE TERMOMETRO ENTRATA RICIRCOLO ni PRIMARIO VALVOLA IMPIANTO 7 f A SFERA DI f
157. tto sull evaporatore il pressostato differenziale SFS prodotto dall azienda vicentina Mut Meccanica Tovo Figura 6 56 esso collegato ai due portasonda posti alle estremit dello scambiatore di calore che rilevano la temperatura della miscela composta da acqua e glicole circolante nella sonda a cui corrisponde un determinato valore di pressione Appena viene rilevato uno scostamento di quest ultima dai dati di progetto oltre un prefissato intervallo di soglia 1l pressostato interviene disattivando momentaneamente la pompa centrifuga che mette in circolo la miscela SCATOLA PORTAMICRO MICRO SWITCH BOX MIKROSCHA TERGEHALISE COFFRET PORTE MICROS WIERK CAJA PORTAMICRO Figura 6 56 Pressostato differenziale SFS Il pressostato differenziale SFS chiude un contatto elettrico quando 1l differenziale di pressione applicato alle due prese raggiunge il valore di taratura superiore intervento e lo ripristina quando scende sotto il valore di taratura inferiore rilascio Una coppia di magneti permanenti posta in mutua repulsione uno dentro il corpo del pressostato e uno esterno sostituisce la classica soluzione con alberino e tenuta O Ring consentendo un notevole aumento dell affidabilit e della durata del sistema di controllo Come rappresentato in Figura 6 57 la differenza di pressione Ap pl p2 rilevata tra le estremit del pressostato muove una membrana che a sua volta trascina con se un piattello entro il qua
158. ua raggiunga o ecceda 1 60 C se questa temperatura non viene raggiunta e mantenuta la procedura non fornisce garanzie In conclusione si devono effettuare dei prelievi d acqua e dei sedimenti in diversi punti dell impianto e procedere ad un controllo batteriologico In caso di risultato sfavorevole la procedura deve essere ripetuta fino al raggiungimento di una decontaminazione documentata Dopo la decontaminazione 11 controllo microbiologico deve essere ripetuto periodicamente Questa procedura non richiede particolari attrezzature e quindi pu essere messo in atto immediatamente vantaggio non trascurabile in presenza di un cluster epidemico 138 Dall altra parte richiede tempo e personale o l installazione di sonde a distanza per controllare la temperatura dell acqua nel serbatoio ed il tempo di scorrimento dell acqua Inoltre una modalit di disinfezione sistemica ma temporanea in quanto la ricolonizzazione dell impianto idrico pu verificarsi in un periodo di tempo variabile da alcune settimane ad alcuni mesi dopo lo shock termico se la temperatura dell acqua circolante ritorna al di sotto dei 50 C Per quanto riguarda la disinfezione termica nel caso di impianti a doppia regolazione la prima costituita da un termostato regolato a 55 60 C serve a regolare la temperatura di accumulo mentre la seconda costituita da un miscelatore serve a regolare la temperatura di distribuzione dell acqua calda a 42 44 C In base alle
159. uoti ed 11 volume totale un indice dei vuoti del 20 indica che 20 parti ogni 100 di terreno incoerente per esempio sabbia sono occupate da aria e 80 parti da granuli e acqua Il grado di saturazione il rapporto fra il volume di acqua ed il volume dei vuoti se pari a 1 il terreno completamente saturo se pari a 0 il terreno secco La porosit cinematica indica la frazione di acqua presente in un determinato volume scambiata nel tempo con 1 volumi adiacenti la frazione di acqua mobile all interno di un mezzo trifase inferiore alla quantit complessiva in esso presente poich una parte di acqua aderisce alle particelle solide dello scheletro I valori di saturazione e porosit incidono direttamente sulla capacit di accumulare e trasmettere l energia di un terreno La capacit di scambio termico di un mezzo poroso aumenta al crescere della frazione satura mentre una porosit cinematica elevata indica un tasso di ricambio rapido dell acqua contenuta nel sottosuolo con conseguente apporto di nuova energia termica Il trasferimento dell energia contenuta nel sottosuolo avviene tramite le seguenti modalit di trasmissione del calore elencate in ordine di importanza e conduzione 23 e convezione e irraggiamento I parametri che definiscono quantitativamente tale scambio energetico sono gt calore specifico gt conduttivit termica gt diffusivit termica del sottosuolo La capacit t
160. uttare la sorgente fredda alla temperatura pi alta possibile infatti per massimizzare l COP necessario avere la pi bassa 21 differenza di temperatura possibile fra le due sorgenti poich si riduce il lavoro di compressione Per questo motivo il principale limite delle tecnologie a pompa di calore attuali riguarda il problema di produrre acqua calda sanitaria ad elevata temperatura necessaria per tutelare l utente dal rischio di legionella Come si vedr in seguito dallo studio delle propriet dell anidride carbonica come fluido refrigerante possibile ottenere impianti dedicati alla produzione di acqua calda sanitaria grazie alle elevate temperature dell acqua che si possono avere in uscita dal gas cooler 22 CAPITOLO 2 2 1 Lo scambio termico nel suolo Il materiale presente nel sottosuolo pu essere massivo roccia oppure di natura incoerente terreno Generalmente costituito da un sistema trifase composto da una fase solida una liquida ed una aeriforme la fase solida corrisponde allo scheletro del mezzo poroso quella liquida rappresentata dalla presenza di acqua mentre quella aeriforme presente nei vuoti tra 1 granuli non interessati dalla presenza liquida Per definire 1 rapporti quantitativi tra le diverse fasi sono stati introdotti 1 seguenti parametri porosit totale grado di saturazione porosit cinematica La porosit il rapporto adimensionale tra il volume dei v
161. uttori di acqua calda sanitaria che grazie all elevata efficienza dello scambiatore di calore a piastre in acciaio AISI 316 trovano ideale applicazione negli impianti a pompa di calore o con pannelli solari 1 quali utilizzano termoaccumuli a bassa temperatura 50 C Il modulo rappresentato in Figura 7 11 collegato ad un termoaccumulo da cui preleva energia attraverso una centralina con display grafico permette all utente di tenere monitorato il funzionamento oltre che impostare facilmente 1 parametri di utilizzo che comprendono la temperatura dell acqua sanitaria la temperatura dell acqua di ricircolo le fasce orarie di accensione del ricircolo e dei cicli antilegionella Pos Descrizione A__ Pompacircuito primario jano sonda di temperatura PT1000 G Ritorno primario ci Valvola di sfiato manuale i Uscita a c s scambiatore a piastre inox AISI 316 Figura 7 11 Preparatore istantaneo Fiorini 28 146 La scelta corretta di un sistema composto da termoaccumulo e gruppo istantaneo esterno passa attraverso la verifica dei tre parametri seguenti 1 volume del serbatoio sufficiente per la produzione di acqua calda sanitaria richiesta dal sistema 2 portata istantanea del gruppo esterno superiore alla portata di picco richiesta dall utenza 3 volume del termoaccumulo superiore al volume minimo consigliato dal costruttore della pompa di calore in funzione della potenza erogata Il volu
162. zioni di perforazione Questi materiali bench economici presentano dei limiti che nel tempo possono condizionare la resa termica delle sonde Il cemento Portland ha una pessima conduttivit termica ed un coefficiente di dilatazione inferiore rispetto al materiale plastico usato nelle sonde In condizioni di raffreddamento della sonda geotermica possibile che si verifichi un restringimento del materiale plastico con distacco della bolacca di cemento questo distacco implica una diminuzione della superficie di contatto fra sonda e cementazione provocando di conseguenza una diminuzione della resa termica dell impianto La presenza di un intercapedine d aria costituisce inoltre una possibile via di infiltrazione d acqua magari contaminata dalla superficie 32 La bentonite presenta una conducibilit termica molto bassa generalmente inferiore a quella dei terreni limitrofi quindi sebbene sia economico e di facile installazione limita la resa termica ottimale dello scambiatore geotermico I cuttings ottenuti dalle operazioni di perforazione di materiali rocciosi hanno una buona trasmittanza termica ma la loro forma irregolare e la limitata attitudine al pompaggio in miscele limitano fortemente 1l loro utilizzo Per ovviare a tali problematiche si sono affermate recentemente sul mercato specifiche miscele ternarie denominate bolacche trifase termo conduttive composte in percentuali variabili da cemento bentonite e sabbia a b

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