Modulo 3. Impianti industriali Sezione 3.3 Impianto frigorifero a compressione a tre livelli di temperatura Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Dott. Ing. Marco Pellegrini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna – Italy Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale
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Modulo 3. Impianti industriali
Sezione 3.3 Impianto frigorifero a compressione a tre
livelli di temperatura
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Dott. Ing. Marco Pellegrini
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna – Italy
Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale
Gruppo frigorifero a compressione
Dimensionamento elementi di impianto
Agenda
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Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
Compressione
Condensazione
Evaporazione
Laminazione
𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒛𝒂 𝒇𝒓𝒊𝒈𝒐𝒓𝒊𝒇𝒆𝒓𝒂𝑸𝒇 = 𝑮(𝑯𝟏 − 𝑯𝟒)
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Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
P(Tev=-40°C)=0,5 bar
P(Tc=50°C)=13 bar
x=0,55 (isoentalpica)
Rapporto di compressione: 13/0,5=26
X: Titolo di vapore = mvapore/(mvapore+mliquido) 4/89
Impianto frigorifero a tre livelli di temperaturaP
ress
ion
e (M
Pa)
Entalpia [kJ/kg]
P(Tev=-40°C)=1,4 bar
P(Tc=50°C)=24 bar
x=0,65-0,70 (isoentalpica)
Rapporto di compressione: 24/1,4=17,1
R507A=50%R125+50%R134AUn azeotropo si forma quando tra le molecole delle due o più
sostanze che lo compongono si manifestano fenomeni di
attrazione o repulsione dovuti alla formazione di legami
intermolecolari. A causa di tali legami il comportamento della
miscela si discosta dalle condizioni ideali.
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Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
L’indice ODP (Ozone Depletion Potential) misura le potenzialità del fluido frigorifero di
degradare l’ozono, avendo assunto come riferimento il fluido R11 (ovvero, R11 ha
ODP=1).
Una stima del valore dell’ODP di una sostanza può essere fatta sulla base della struttura
chimica e dal tempo di semivita nell’atmosfera. I composti che non possiedo atomi di
Cloro o Bromo hanno ODP uguale a zero.
CFC: clorofluorocarburi (banditi dal 1992)
HCFC: idroclorofluorocarburi (banditi dal 2014)
HFC: idrofluorocarburi (in fase di bando… perché?)
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Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
GWP (Global Warming Potential)
Il riferimento normativo è il REGOLAMENTO (UE) N. 517/2014 del 16 aprile 2014 sui
gas fluorurati a effetto serra e che abroga il regolamento (CE) n. 842/2006, che è il
nuovo regolamento europeo sugli F-gas, ovvero quei gas ad elevato GWP responsabili
dell’effetto serra, tra i quali figurano anche gli HFC utilizzati negli impianti frigoriferi. Tale
regolamento abroga il regolamento 842/2006 introducendo alcune novità. Di seguito i
punti salienti con riferimento agli impianti di refrigerazione:
1) La frequenza imposta per i controlli delle perdite di gas dagli impianti di
refrigerazione (e pompe di calore) non è più in funzione solo della carica di gas
dell’impianto, ma anche in funzione del tipo di gas, per cui il parametro rilevante
risulta essere espresso in termini di “tonnellate equivalenti di CO2”. Si veda al
proposito l’art. 4, comma 3.
Sono stabilite infatti frequenze di controllo diverse per diversi valori del GWP (quindi
per quantità e tipo di fluido) sotto riportati e distinti nei seguenti casi:
1. Tra 5 e 50 ton CO2 equiv: 1 controllo ogni 12 mesi
2. Tra 50 e 500 ton CO2 equiv: 1 controllo ogni 6 mesi
3. Con 500 o più ton CO2 equiv: 1 controllo ogni 3 mesi
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Impianto frigorifero a tre livelli di temperaturaNel caso in cui sia installato un sistema di rilevamento delle perdite, le frequenze
dimezzano, ovvero l’intervallo di tempo raddoppia: 24 mesi nel primo caso, 12 mesi
nel secondo, sei mesi nel terzo.
Per gli impianti che ricadono nel caso n.3 (v. art. 5, comma 1) “…gli operatori […]
assicurano che l’apparecchiatura sia munita di un sistema di rilevamento delle
perdite che avverta l’operatore o un’impresa di manutenzione in caso di perdite”
e (v. art. 5, comma 3) “… gli operatori assicurano che i sistemi di rilevamento
delle perdite siano controllati almeno una volta ogni 12 mesi per accertarne il
corretto funzionamento”.
Esempio:
l’R507 ha un GWP di 3800 che significa 3,8 tonCO2 equiv/kg.
Quindi si rientra nel caso 1 per quantitativi di carica del gas refrigerante compresi tra
1,3 e 13,2 kg, nel caso 2 per quantitativi compresi tra 13,2 e 132 kg e nel caso 3 per
quantitativi uguali o superiori a 132 kg. Per tutti gli altri gas fluorurati occorre rifare il
calcolo partendo dal loro GWP. Per fornire un elemento di valutazione, si riportano i
Temperatura di evaporazione -30 C e temperatura di condensazione pari a 50 C
Il fluido che presenta le migliori performance nei due casi (chiller e pompa di calore)
risulta ancora essere R 717 che ha un effetto utile pari a 2,14 e un COP di 3,14.
Tuttavia, occorre ricordare che tale fluido presenta il più alto grado di pericolosità dei
quattro.
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Fluido
Tevaporazione
[C] /
Pevaporazione,
[bar]
Tcondensazione [C] /
Pcondensazione,
[bar]
Effetto utile,
𝜼𝑼COP
D%
rispetto al
COP
massimo
R 717
(Ammoniaca)- 30 / 1,2 50 / 20,4 2,14 3,14 0
R 22 - 30 / 1,6 50 / 19,4 2,00 3,00 - 4,5 %
R 134 - 30 / 0,8 50 / 13 1,89 2,89 - 8,0 %
R 744 (CO2) - 30 / 14 50 /100 0,6 1,6 -49,0 %
R 404a - 30 / 2,0 50 / 22,9 1,48 2,48 -40,1 %
Analisi prestazioni del ciclo
Confronto cicli a Teva = -10 C e Teva = -30 C
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Fluido 𝜼𝑼 @ Teva = - 10 C 𝜼𝑼 @ Teva = - 30 C
D% 𝜼𝑼 =𝜼𝑼,−𝟑𝟎−𝜼𝑼,−𝟏𝟎
𝜼𝑼,−𝟏𝟎
R 717
(Ammoniaca)3,40 2,14 - 37,1 %
R 22 3,18 2,00 - 37,1 %
R 134 3,08 1,89 - 38,6 %
R 744 (CO2) 0,96 0,6 - 37,5 %
R 404a 2,54 1,48 - 41,7 %
Fluido 𝑪𝑶𝑷 @ Teva = - 10 C 𝑪𝑶𝑷 @ Teva = - 30 C D% 𝑪𝑶𝑷 =𝑪𝑶𝑷−𝟑𝟎−𝑪𝑶𝑷−𝟏𝟎
𝑪𝑶𝑷−𝟏𝟎
R 717
(Ammoniaca)4,40 3,14 - 28,6 %
R 22 4,18 3,00 - 28,2 %
R 134 4,08 2,89 - 29,2 %
R 744 (CO2) 1,96 1,6 - 18,4 %
R 404a 3,54 2,48 - 29,9 %
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
Impianto di refrigerazione per derrate alimentari
L'impianto frigorifero è stato realizzato per la refrigerazione di celle a
diverse temperature:
- 1 cella a -30°C (abbattitore di temperatura e surgelamento);
- 1 cella a -20°C (conservazione surgelati);
- 7 celle a 0°C.
Le prime due celle sono legate ad attività di business marginali, rispetto
alle quali occorre valutare le soluzioni impiantistiche più adatte.
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P=1,3 bar (Tev=-40 C)
P(Tc=50°C)=23 bar
x=0,70 (isoentalpica)
Rapporto di compressione: 23/1,3=17,7
R 404 A= R143A + R125 + R134A
Dimensionamento elementi di impianto
P=4,5 bar P(Tev=-10 C)
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P=2 bar P(Tev=-30 C)
X=0.65
X=0.55
Impianto frigorifero a tre livelli di temperaturaLay-out celle frigorifere Celle a temperatura minima 0°C: conservazione di vegetali (frutta, verdura, fiori)
Celle a temperatura
minima -20°C e -30°C:
abbattitori di temperatura
e conservazione surgelati
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Lay-out celle frigorifere
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
Ogni cella ha uno o più evaporatori.
La mandata è una sola, con
condensazione a 50°C (punto 3 nel
diagramma p-H di slide 3).
Il ritorno è vapore saturo (punto 1 nel diagramma p-H di
slide 2), differente a seconda della tipologia di cella.
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Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
Condensazione
Ricevitore di liquido
Compressione
Laminazione - Evaporazione
P&ID
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Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
Compressione
dagli evaporatori
di alta pressione
dall’evaporatore di
media pressione
dall’evaporatore
di bassa
pressione
al recuperatore
e condensatori
ai compressori di alta
pressione
dai
condensatori
agli
evaporatori
Al
desurriscaldatore
Alla aspirazione dei compressori di alta pressione è presente un pressostato
di minima, mentre alla mandata è presente un pressostato di massima.
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Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
al separatore di liquido
agli evaporatori
Ricevitoredi liquido
Condensazione
dai compressori
al desurriscaldatore
34/89
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
da
i c
on
de
ns
ato
ri
al compressore
di bassa di
pressione
Laminazione - Evaporazione
al c
om
pre
ss
ore
di
me
dia
pre
ss
ion
e
ai c
om
pre
ss
ori
di
alt
a p
res
sio
ne
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Elettrovalvola Valvola di
intercettazione
Filtro
Valvola di
intercettazione
Orificio
taratoEvaporatore
Termostato
ambiente
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
Laminazione - Evaporazione
L’elettrovalvola si apre e si chiude in funzione della temperatura rilevata dal
termostato ambiente posizionato nella cella e che comanda anche
l’azionamento dei ventilatori degli evaporatori.
Evaporatore
Termostato
ambiente
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Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
La funzione del desurriscaldatore
Il fluido frigorifero in uscita dal compressore di bassa pressione (Cn+2) viene inviato ad un desurriscaldatore (DS). Se le valvole
manuali VI 1 e VI 3 sono aperte e la VI 2 è chiusa, allora il fluido frigorifero viene compresso sino alla pressione di evaporazione dei
compressori di alta pressione (ovvero pev corrispondente a Tev=-10°C) e viene desurriscaldato per tramite di uno scambio a miscela
con il ritorno dal ricevitore di liquido in uscita dal condensatore, opportunamente laminato. In questo modo, di fatto, la compressione
dalla pressione di evaporazione più bassa alla pressione di condensazione viene frazionata tra compressore di bassa pressione e
compressori di alta pressione. Qualora fosse in funzione il solo compressore di bassa pressione, le valvole VI 1 e 3 vanno chiuse,
mentre va aperta la valvola VI 2: in questo modo il compressore di bassa pressione lavora con la mandata direttamente collegata al
condensatore.
1
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3
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Elettrovalvola Valvola di
intercettazione
Filtro
Orificio
taratoEvaporatore
Termostato
ambiente
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
La funzione del desurriscaldatore
Dal
condensatore
Cella T=-30°C
COMPRESSORE
Filtro
Dal
condensatoreDESURRISCALDATORE
Nel caso della cella a bassa pressione (T ambiente = -30°C) il termostato ambiente della cella
frigorifera comanda anche l’accensione/spegnimento del compressore e l’apertura/chiusura
della elettrovalvola che mette in collegamento il ritorno del condensatore con il
desurriscaldatore.38/89
Impianto frigorifero a tre livelli di temperaturaLa funzione del desurriscaldatore - generalità
L’applicazione del desurriscaldatore nel caso in oggetto serve a limitare la
temperatura in ingresso al compressore di alta pressione, onde evitare
temperature di fine compressione troppo elevate, in grado di complicare la