Messa a punto di un sistema di acquisizione dati per la valutazione delle prestazioni di una macchina ad assorbimento

I 
 
 
Introduzione 
 
Il riscaldamento globale dell’atmosfera terrestre a causa dell’accumulo di gas serra 
sembra mettere a repentaglio i complessi equilibri meteoclimatici del pianeta. Per limitare 
le emissioni di CO
2
 e di CFC, ritenuti fra i principali responsabili dell’effetto serra e della 
diminuzione dello strato di ozono che circonda l’atmosfera, negli scorsi anni sono stati 
firmati due documenti di fondamentale importanza: il Protocollo di Montreal e il 
Protocollo di Kyoto. In tali accordi si è definito un programma di riduzione delle emissioni 
climalteranti da parte dei Paesi che li hanno ratificati, da attuare  con restringimenti sempre 
maggiori fino al 2010.  
Una via efficace per il contenimento della produzione di CO
2
 è costituita 
dall’impiego di energia degradata, proveniente, ad esempio, da sistemi di conversione 
energetica o da processi industriali, altrimenti destinata alla dispersione nell’ambiente.  
Attualmente l’energia frigorifera è prodotta prevalentemente mediante macchine 
frigorifere a compressione, alimentate mediante energia elettrica derivante dall’uso di fonti 
fossili. 
I cicli frigoriferi alimentati con cascami di calore rappresentano un’applicazione 
promettente per la soluzione di problematiche energetico-ambientali; fra le possibili 
soluzioni tecniche risulta particolarmente interessante il ciclo ad assorbimento funzionante 
con la soluzione acqua-bromuro di litio, dato che tale coppia refrigerante-assorbente è 
caratterizzata da numerosi vantaggi quali l’elevato calore di trasformazione e la non 
tossicità e pericolosità. 
In questo lavoro di tesi è stato analizzato il funzionamento di una macchina 
frigorifera ad assorbimento a doppio effetto Yazaki Aroace CH G 30 H funzionante con la 
soluzione acqua-bromuro di litio, avente una potenza frigorifera nominale di 105 kW e una 
potenza termica nominale di 127 kW; un bruciatore a fiamma diretta, alimentato a gas 
naturale, fornisce l’apporto energetico necessario al funzionamento del gruppo 
refrigerante/riscaldante. 
L’utenza termica è costituita dai Laboratori di Fisica Tecnica della Facoltà di 
Ingegneria di Terni. 
Dopo uno studio teorico, riguardante il funzionamento della macchina e delle 
prestazioni della stessa, si è passati alla descrizione dei circuiti presenti nell’impianto:
II 
 
 
- circuito di alimentazione del combustibile; 
- circuito idraulico per la distribuzione del fluido termovettore agli elementi terminali; 
- circuito idraulico per  il raffreddamento della macchina frigorifera ad assorbimento 
connesso alla torre evaporativa. 
Le grandezze lette sono misurate da sensori di temperatura e portata, inseriti in 
varie parti della macchina ad assorbimento e nei circuiti annessi. I misuratori comunicano 
con un sistema di acquisizione dati, composto da moduli Compact FieldPoint della 
National Instruments, che provvede ad elaborare il segnale in uscita dai sensori stessi.  
I segnali di uscita sono per le termoresistenze in resistenza e per i misuratori di 
pressione in corrente, i quali sono convertiti in temperatura e pressione dal software 
installato in ambiente LabView. 
Successivamente è stato monitorato l’andamento temporale di tutte le grandezze 
misurate durante il funzionamento estivo della macchina e si è implementato un metodo di 
calcolo per la valutazione dell’effetto utile della macchina.  
L’implementazione ha permesso il calcolo in tempo reale delle prestazioni della 
macchina frigorifera ad assorbimento in funzionamento estivo. 
I risultati ottenuti sono stati graficati insieme all’andamento delle temperature 
acquisite durante il funzionamento dell’impianto in modalità di raffrescamento ambientale.
1 
 
Capitolo I 
Le macchine ad assorbimento 
 
1.1 Introduzione 
Le macchine ad assorbimento sono macchine termiche che utilizzano una fonte di 
calore per produrre energia frigorifera. Il loro scopo è quello di trasferire del calore da una 
sorgente fredda ad una sorgente calda e quindi realizzano la contemporanea nobilitazione e 
degradazione di differenti quantità di calore. 
            In base al Secondo Principio della Termodinamica (enunciato di Clausius), 
l’innalzamento di temperatura di una quantità di calore richiede l’impiego di un fenomeno 
di compenso, che, nel caso delle macchine ad assorbimento, consiste nel passaggio di 
un’altra quantità di calore da una temperatura più alta ad una temperatura più bassa. 
 
1.2   Classificazione delle macchine ad assorbimento [1] 
Una macchina ad assorbimento lavora sfruttando tre livelli di temperatura 
(ipotizzandone due pressoché uguali). A seconda della posizione di ciascun livello rispetto 
alla temperatura ambiente, si ha la suddivisione delle macchine ad assorbimento in quattro 
gruppi, come mostrato in Fig. 1.1: 
a) macchine frigorifere ad assorbimento; 
b) pompe di calore ad assorbimento; 
c) macchine a doppio effetto ad assorbimento; 
d) trasformatori di calore.
Capitolo I                                                                                              Le macchine  ad assorbimento 
 
 
 
2 
 
 
 
Te
Tac
Tg
T2
T0
T1
Macchina
frigorifera
Te
Tac
Tg
T3
T1
Pompa
di calore
Tac
Tg
T3
T1
Te
T2
Tc
Tge
Ta
T3
T1
Macchina
a doppio effetto
(frigorifera + pompa di calore)
Trasformatore
di calore
T0 = temperatura ambiente
Q2
Q2
Q2
Q2
Q1
Q1
Q1
Q1
 
Figura 1.1 Modalità di funzionamento delle macchine ad assorbimento. 
 
 
Le macchine frigorifere ad assorbimento trasferiscono il calore Q
2
 da una 
temperatura T
2
 alla temperatura ambiente T
0
, essendo T
2
<T
0
. Il fenomeno di compenso 
consiste nel trasferimento del calore Q
1
 da T
1
 a T
0
, essendo T
1
>T
0. 
Le pompe di calore ad assorbimento trasferiscono il calore Q
2
 dalla temperatura 
ambiente T
0
 alla temperatura T
3
, essendo T
3
>T
0
. Il fenomeno di compenso consiste nel 
trasferimento di calore Q
1
 da T
1
 a T
3
, essendo T
1
>T
3
. 
Le macchine a doppio effetto ad assorbimento svolgono sia le funzioni di pompa di 
calore che di macchina frigorifera. In esse il calore Q
2
 è trasferito dalla temperatura T
2
 alla 
temperatura T
3
, essendo T
2
<T
0
 e T
3
>T
0
. Il fenomeno di compenso consiste nel 
trasferimento del calore Q
1
 da T
1
 a T
3
, essendo T
1
>T
3
. La macchina realizza
Capitolo I                                                                                              Le macchine  ad assorbimento 
 
 
 
3 
 
 
contemporaneamente la sottrazione del calore Q
2
 alla temperatura T
2
 e la fornitura del 
calore Q
2
+Q
1
 alla temperatura T
3
. 
I trasformatori di calore hanno la funzione di trasferire il calore Q
2
 dalla 
temperatura T
3
 alla temperatura T
1
, essendo T
1
>T
3
. Il fenomeno di compenso consiste nel 
trasferimento del calore Q
1
 da T
3
 a T
0
, essendo T
3
>T
0
. 
Tali macchine esistono perché in natura sono presenti sostanze in grado di 
consentirne l’attuazione. Queste sostanze sono le soluzioni liquide sature, sistemi 
termodinamici a due componenti e due fasi, liquido e vapore. 
 
1.3   Classificazione dei gruppi frigoriferi ad assorbimento [1] 
         Esistono varie tipologie di gruppi frigoriferi ad assorbimento. Una divisione può 
essere effettuata sulla base della fonte di energia termica ed un’altra sulla base della 
soluzione contenuta all’interno del circuito frigorifero. L’energia termica può essere 
fornita: 
- da una fiamma diretta, ovvero bruciando direttamente combustibile nel generatore; 
- da vapore; 
- da acqua calda, purché a temperatura superiore a 75°C. 
           Dal punto di vista del fluido di lavoro, sono molte le soluzioni che, in linea teorica, 
possono essere utilizzate, ma nella pratica ne vengono utilizzate due: 
- Acqua – Bromuro di Litio (H
2
O-LiBr); 
- Ammoniaca – Acqua (NH
3
-H
2
O). 
Delle due sostanze che formano la miscela una svolge la funzione di refrigerante, 
mentre l’altra svolge la funzione di assorbente. Nella fattispecie, nel ciclo ad acqua e 
bromuro di litio è l’acqua a fungere da refrigerante e il bromuro di litio da assorbente, 
mentre nel ciclo ammoniaca - acqua è  l’ammoniaca il refrigerante e l’acqua l’assorbente.  
I requisiti fondamentali che si richiedono per una coppia refrigerante-assorbente 
possono essere riassunti come indicato: 
- elevata solubilità dell’assorbente nel refrigerante alla temperatura dell’assorbitore ed 
alla pressione corrispondente alla temperatura di saturazione dell’evaporatore; 
- calore di evaporazione del refrigerante alla temperatura di evaporazione elevato;
Capitolo I                                                                                              Le macchine  ad assorbimento 
 
 
 
4 
 
 
- calore differenziale di soluzione basso sia nelle condizioni di temperatura e pressione 
esistenti nel generatore sia in quelle dell’assorbitore, per limitare sia la quantità di 
calore da fornire sia la portata d’acqua di raffreddamento; 
- volatilità dell’assorbente molto inferiore rispetto a quella del refrigerante: ciò è 
necessario per limitare, e, ove possibile, eliminare del tutto le apparecchiature di 
rettifica. 
L’impianto sperimentale oggetto di studio è una macchina ad assorbimento a 
doppio effetto funzionante con la soluzione H
2
O-LiBr che presenta minori inconvenienti 
rispetto alla soluzione NH
3
-H
2
O. Le macchine funzionanti ad ammoniaca-acqua sono 
utilizzate solo per scopi industriali e quando si deve lavorare a temperature al di sotto di    
0 °C, che non possono essere raggiunte con l’acqua per il pericolo di solidificazione. 
 
1.4   Principio di funzionamento di una macchina ad assorbimento 
a   doppio effetto [1] 
La refrigerazione e la cessione di calore del fenomeno di compenso possono 
avvenire contemporaneamente e con continuità in una macchina ad assorbimento a 
funzionamento continuo. 
Essa è composta essenzialmente da quattro componenti: il generatore G, il 
condensatore C, l’evaporatore E e l’assorbitore A, come schematizzato in Fig. 1.2.