Introduzione
INTRODUZIONE
Il lavoro svolto ha avuto come obbiettivo l'acquisizione delle principali
fenomenologie di scambio termico e termodinamiche che sono alla base del
funzionamento delle pompe di calore , in particolare riferimento alle pompe di
calore ad adsorbimento, con il fine di esporre una panoramica sulle tecnologie
attualmente in uso.
Il primo luogo è stata svolta una ricerca bibliografica per una esposizione delle
principali tecnologie usate oggi per la realizzazione di macchinari atti alla
climatizzazione dell'aria, per poi concentrarsi sulle macchine ad adsorbimento.
Dopo un periodo storico durante il quale l'attenzione è stata rivolta soprattutto alle
macchine a compressione le macchine ad assorbimento e adsorbimento sono
attualmente oggetto di rinnovata attenzione.
Negli ultimi anni, infatti, si è andata a delineando in Italia e in altri paesi del
mondo , una politica energetica di incentivo allo sfruttamento delle energie
rinnovabili e dell'efficienza energetica, che ha spinto i progettisti e costruttori a
trovare nuove soluzioni impiantistiche che si spingessero in tale direzione. Questo
nuovo modo di pensare a portato a scegliere, in maniera quasi obbligata l'utilizzo
di pompe di calore negli impianti termici di nuova costruzione per rispettare le
attuali leggi sull'obbligo di utilizzo delle fonti rinnovabili, ma anche questo,
ormai, non è più sufficiente.
Come accennato prima si stanno studiando nuove soluzioni che possano essere
una valida alternativa alle pompe di calore a compressione, il cui rendimento
rimane ancora il migliore, cioè le pompe di calore ad assorbimento e
adsorbimento.
Questi macchine presentano molti vantaggi : possono funzionare con fluidi
termovettori non pericolosi, possono essere alimentate a metano, con emissioni
inquinanti di livello contenuto, o addirittura con calore di scarto o con energia
3
Introduzione
solare. Molto interessante e è quest’ultimo esempio, infatti le pompe di calore ad
adsorbimento alimentate da energia termica solare, usate per il condizionamento
estivo (sistema detto solar cooling) possono contribuire a ridurre lo squilibrio
stagionale oggi esistente nei consumi elettrici causa di frequenti black-out nelle
ultime stagioni estive, proprio in corrispondenza del massimo irraggiamento
solare. Tale coincidenza dei picchi sia di richiesta sia di disponibilità di radiazione
solare costituisce un ulteriore motivo affinché la tecnologia venga sviluppata.
A beneficiarne potrebbero essere soprattutto i paesi sottosviluppati o in via di
sviluppo. Poiché proprio la maggior parte di questi paesi si trovano nella fascia
sub_tropicale, dove la disponibilità di energia solare potrebbe essere sviluppata
con maggiore efficienza, per esempio per la refrigerazione e il condizionamento di
ospedali. Gli inconvenienti maggiori derivano dall'intermittenza della radiazione
solare, tuttavia i numerosi punti a favore , fanno dell'energia solare la candidata
principale per la sostituzione delle fonti energetiche convenzionali.
Ma anche per quanto riguarda il riscaldamento nella stagione invernale, le pompe
di calore ci permettono di ottenere rendimenti maggiori rispetto alle alle moderne
caldaia a condensazione.
Il lavoro che ho svolto ha come obbiettivo la realizzazione di un modello di
simulazione dinamica di un sistema in grado di produrre freddo con l'utilizza di
energia solare.La ricerca degli ultimi anni e riuscita a sviluppare l'utilizzo dei
sistemi ad assorbimento, per produrre calore da energia termica, adatti però
soprattutto pre grossi impianti di grande potenza, e con problemi tecnico-
ambientali riguardante le soluzioni utilizzate.Altra soluzione è rappresentata dal
sistema ad adsorbimento, argomento di questa tesi, che merita di notevole
attenzione. Molto lavoro c'è ancora da fare per ridurre i costi di queste macchine
e aumentarne le prestazioni, caratteristiche negative che frenano l'espansione di
tali tecnologie su larga scala.
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Capitolo 1 - Generalità sulle pompe di calore
CAPITOLO 1
Generalità sulle pompe di calore
1.1 Introduzione alle pompe di calore
Prima di esaminare in dettaglio le pompe di calore ad adsorbimento, illustriamo
brevemente alcuni concetti che ci aiuteranno a capire meglio il loro
funzionamento.
Il secondo principio della termodinamica sappiamo che il calore fluisce
naturalmente da una sorgente a temperatura maggiore verso una a temperatura
minore, ma se viene somministrato lavoro o calore dall'esterno è possibile
trasferire calore da un corpo a temperatura più bassa verso un corpo a temperatura
più alta.
Quindi con il termine pompa di calore s'intende un apparato che , con continuità,
preleva calore da una sorgente a temperatura più bassa e lo rende disponibile ad
una temperatura superiore. Quindi parlando del caso del riscaldamento
termodinamico, la pompa di calore, ha la finzione di elevare il livello termico
dell'energia disponibile sotto forma di calore, per fare in modo che l'energia
dell'ambiente esterno sia resa utilizzabile a temperatura più alta.
Dal punto di vista del principio di funzionamento non ci sono differenze tra una
pompa di calore e un'istallazione frigorifera, la differenza è soltanto nell'effetto
utile dell'installazione.
Una pompa di calore cede ad un sistema a temperatura superiore T
1
a quella
ambiente T
2
(figura 1)
Un impianto frigorifero asporta calore da un sistema a temperatura inferiore a
quella ambiente.
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Capitolo 1 - Generalità sulle pompe di calore
Le principali fonti di calore utilizzate dalle pompe di calore sono quelle presenti
gratuitamente in natura, come il calore proveniente dall'aria, dal suolo, dall'acqua.
1.2 Le sorgenti delle pompe di calore
Tralasciando per il momento le caratteristiche interne della pompa di calore ,
poniamo l'attenzione sulle sorgenti esterne.
Come si può vedere dalla figura 1 , per il suo funzionamento la pompa di calore
ha bisogno di due “pozzi” termici esterni ad essa, una sorgente calda e una
sorgente fredda, rappresentati come due contenitori, uno a temperatura T
1
e l'altro
a temperatura T
2
Prendiamo come esempio una pompa di calore in per uso riscaldamento, e diverse
tipologie di sorgenti termiche tra quali la macchina trasferirà calore saranno:
Aria-Aria: verrà riscaldata aria attingendo calore da altra aria.
Acqua-Aria: verrà riscaldata aria attingendo calore dall'acqua.
Terreno-Aria: verrà riscaldata aria attingendo calore dal terreno.
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Figura 1
Capitolo 1 - Generalità sulle pompe di calore
Con il primo termine si sta ad indicare la sorgente fredda ed il secondo quella
calda.
Il secondo termine varia a seconda del tipo di impianto su cui viene installato il
macchinario. Io ho ipotizzato sempre aria ponendo il caso di usare dei ventilatori,
ma potremmo sostituirla con acqua se volessimo alimentare un impianto di
riscaldamento a pavimento.
E' il primo termine quello più interessante perché e da quella sorgente che
attingeremo il calore che il ciclo termodinamico innalzerà di temperatura.
L'aria è la sorgente fredda universalmente disponibile ma quella più sfavorevole
dal punto di vista termodinamico perché la sua temperatura è molto variabile, nei
periodi in cui si deve sopperire a maggiori richieste (inverno), essa è disponibile a
basse temperature.
L'acqua, sia quella superficiale che quella di falda , costituisce una interessante
sorgente fredda grazie al fatto di avere una temperatura costante. Ma non sempre
se ne ha disponibilità, e dove è presente, vincoli normativi e amministrativi ne
vincolano l'utilizzo.
Il terreno si può dire invece che è universalmente disponibile e con la stessa
caratteristica di stabilità termica durante tutto l'anno. Infatti le pompe di calore
geotermiche sono molto usate nelle nuove installazioni ,a anche se richiedono un
grande investimento iniziale dovuto ai grandi lavori di scavo e un
dimensionamento che deve tenere conto di molti fattori diversi da una luogo
all'altro (natura del terreno, conducibilità termica, umidità ecc.).
1.3 Efficienza e rendimenti
Le pompe di calore offrono il modo più efficiente per fornire riscaldamento e
raffreddamento in molte applicazioni poiché possono utilizzare fonti di calore
rinnovabili disponibili nell'ambiente naturale. Infatti anche a temperature che
consideriamo essere basse l'aria, l'acqua e la terra contengono calore utile poiché
questo è continuamente rigenerato dal sole.
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Capitolo 1 - Generalità sulle pompe di calore
1.2Teoricamente il calore totale erogato da una pompa di calore é pari al calore
estratto dalla fonte, più la quantità di energia utilizzata per l'alimentazione: per
esempio una pompa di calore alimentata da un compressore elettrico, utilizzata
per il riscaldamento, riesce con la somministrazione di 20-40 Kwh di energia
elettrica a produrre in media 100KWh.
In termini energetici , le prestazioni di una pompa di calore si valutano per mezzo
del valore del coefficiente di effetto utile (Coefficient Of Performance) COP che
è definito come il rapporto tra l'effetto energetico utile e l'energia necessaria per
ottenerlo.
Q
1
= calore fornito
L = lavoro impiegato per effettuare la fornitura di calore.
1.4 Principali tipi di pompe di calore
Dopo aver classificato le pompe di calore in base ai fluidi secondari che
utilizzano, descriviamo in modo più accurato i principi che stanno alla base del
funzionamento delle pompe di calore in commercio, che si possono ricondurre a
due modelli standard:
-Ciclo a compressione di vapore
-ciclo ad assorbimento/adsorbimento
1.4.1 Macchina a ciclo a compressione meccanica di vapore.
La pompa di calore è costituita da un circuito chiuso dove, una volta fatto il vuoto,
viene riempito con uno speciale liquido volatile definito fluido di lavoro o
refrigerante che , a seconda delle condizioni di pressione e temperatura presenti
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COP
pc
=
∣
Q
1
∣
∣L∣
Capitolo 1 - Generalità sulle pompe di calore
nelle varie parti del circuito assumerà lo stato di liquido o di vapore.
I componenti principali del sistema sono quattro : il compressore, la valvola di
laminazione e i due scambiatori di calore, uno che funge da condensatore e l'altro
da evaporatore.
Analizziamo le fasi del ciclo ideale rappresentato in figura 2.
La trasformazione 1-2 rappresenta il processo di espansione isoentalpica dalla
pressione di condensazione P
1
alla pressione di evaporazione P
2
.
La trasformazione 2-3 rappresenta il processo di evaporazione. Durante questa
fase il refrigerante evapora sottraendo la quantità di calore Q
2
dall'ambiente.
La trasformazione 3-4 rappresenta il processo di compressione isontropico dalla
pressione di evaporazione a quella di condensazione a a spese del lavoro L fatto
dal compressore.
La trasformazione 4-1 rappresenta il processo di desurriscaldamento (4-4') e di
condensazione (4'-1) che avviene nel condensatore che cede il calore Q
1
all'ambiente.
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Figura 2
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