Pompa di calore e ciclo frigorifero - Heat pump and refrigeration cycle

I cicli termodinamici in pompa di calore o cicli di refrigerazione sono i modelli concettuali e matematici per gli impianti a pompa di calore , condizionamento e refrigerazione . Una pompa di calore è un sistema meccanico che consente la trasmissione di calore da un luogo (la "sorgente") a una temperatura più bassa a un altro luogo (il "pozzo" o "dissipatore") a una temperatura più alta. Quindi una pompa di calore può essere pensata come un "riscaldatore" se l'obiettivo è riscaldare il dissipatore di calore (come quando si riscalda l'interno di una casa in una giornata fredda), o un "frigorifero" o "raffreddatore" se l'obiettivo è per raffreddare la fonte di calore (come nel normale funzionamento di un congelatore). In entrambi i casi, i principi di funzionamento sono vicini. Il calore viene spostato da un luogo freddo a un luogo caldo.

Cicli termodinamici

Secondo la seconda legge della termodinamica il calore non può fluire spontaneamente da un luogo più freddo ad un'area più calda; lavoro è necessario per raggiungere questo obiettivo. Un condizionatore d'aria richiede lavoro per raffreddare uno spazio abitativo, spostando il calore dall'interno da raffreddare (la fonte di calore) verso l'esterno (il dissipatore di calore). Allo stesso modo, un frigorifero sposta il calore dall'interno della ghiacciaia fredda (la fonte di calore) all'aria a temperatura ambiente più calda della cucina (il dissipatore di calore). Il principio di funzionamento del motore termico ideale è stato descritto matematicamente utilizzando il ciclo di Carnot da Sadi Carnot nel 1824. Un sistema di refrigerazione ideale o pompa di calore può essere pensato come un motore termico ideale che funziona in un ciclo di Carnot inverso.

Pompa e refrigerazione di calore cicli possono essere classificati come compressione di vapore , assorbimento del vapore , ciclo a gas , o ciclo Stirling tipi.

Ciclo a compressione di vapore

Refrigerazione a compressione di vapore
Per confronto, un semplice diagramma stilizzato del ciclo frigorifero a compressione di vapore di una pompa di calore : 1)  condensatore , 2)  valvola di espansione , 3)  evaporatore , 4)  compressore
Diagramma temperatura-entropia del ciclo di compressione del vapore.

Il ciclo di compressione del vapore è utilizzato da molte applicazioni di refrigerazione, condizionamento dell'aria e altre applicazioni di raffreddamento e anche all'interno di pompe di calore per applicazioni di riscaldamento. Ci sono due scambiatori di calore, uno è il condensatore che è più caldo e rilascia calore e l'altro è l'evaporatore che è più freddo e accetta calore. Per le applicazioni che devono funzionare sia in modalità di riscaldamento che di raffreddamento, viene utilizzata una valvola di inversione per invertire i ruoli di questi due scambiatori di calore.

All'inizio del ciclo termodinamico il refrigerante entra nel compressore come vapore a bassa pressione e bassa temperatura dove la pressione viene aumentata ed esce come gas surriscaldato a temperatura e pressione più elevate . Questo gas caldo in pressione passa quindi attraverso il condensatore dove rilascia calore all'ambiente circostante mentre si raffredda e si condensa completamente. Il liquido ad alta pressione più freddo passa poi attraverso la valvola di espansione (valvola a farfalla) che riduce bruscamente la pressione provocando un drastico abbassamento della temperatura. La miscela fredda a bassa pressione di liquido e vapore viaggia quindi attraverso l'evaporatore dove evapora completamente poiché accetta il calore dall'ambiente circostante prima di tornare al compressore come gas a bassa pressione a bassa temperatura per ricominciare il ciclo.

Alcune applicazioni più semplici con temperature di esercizio fisse, come un frigorifero domestico , possono utilizzare un compressore a velocità fissa e una valvola di espansione ad apertura fissa. Le applicazioni che necessitano di operare ad alto coefficiente di prestazione in condizioni molto diverse, come nel caso delle pompe di calore dove le temperature esterne e la richiesta di calore interna variano notevolmente durante le stagioni, utilizzano tipicamente un compressore inverter a velocità variabile e una valvola di espansione regolabile per controllare le pressioni del ciclo in modo più accurato.

La discussione di cui sopra si basa sul ciclo di refrigerazione a compressione di vapore ideale e non tiene conto degli effetti del mondo reale come la caduta di pressione per attrito nel sistema, la leggera irreversibilità termodinamica durante la compressione del vapore refrigerante o il comportamento del gas non ideale ( se presente).

Ciclo di assorbimento del vapore

Nei primi anni del Novecento il ciclo ad assorbimento di vapore con sistemi acqua-ammoniaca era diffuso e diffuso ma, dopo lo sviluppo del ciclo a compressione di vapore, ha perso molta della sua importanza a causa del suo basso coefficiente di prestazione (circa un quinto di quello del ciclo a compressione di vapore). Al giorno d'oggi, il ciclo di assorbimento del vapore viene utilizzato solo dove il calore è più facilmente disponibile dell'elettricità, come il calore di scarto industriale , l'energia solare termica dai collettori solari o la refrigerazione fuori rete nei veicoli ricreazionali .

Il ciclo ad assorbimento è simile al ciclo a compressione, fatta eccezione per il metodo di innalzamento della pressione del vapore refrigerante. Nel sistema ad assorbimento, il compressore è sostituito da un assorbitore e da un generatore. L'assorbitore scioglie il refrigerante in un liquido idoneo (soluzione diluita) e quindi la soluzione diluita diventa una soluzione forte. Quindi, una pompa del liquido sposterebbe la soluzione forte dall'assorbitore a un generatore dove, con l'aggiunta di calore, la temperatura e la pressione aumentano. Quindi il vapore refrigerante viene rilasciato dalla soluzione forte, che si trasforma nella soluzione diluita e viene riportato all'assorbitore dalla pompa del liquido. Un po' di lavoro è richiesto dalla pompa del liquido ma, per una data quantità di refrigerante, è molto più piccolo di quello necessario al compressore nel ciclo di compressione del vapore. Tuttavia, il generatore richiede una fonte di calore, che consumerebbe energia per il riscaldamento a meno che non venga utilizzato il calore di scarto. In un frigorifero ad assorbimento viene utilizzata una combinazione adeguata di refrigerante e assorbente. Le combinazioni più comuni sono ammoniaca (refrigerante) e acqua (assorbente) e acqua (refrigerante) e bromuro di litio (assorbente).

I sistemi di refrigerazione ad assorbimento possono essere alimentati da energie fossili (es. carbone , petrolio , gas naturale , ecc.) o rinnovabili (es. recupero del calore di scarto , biomasse , energia solare ).

Ciclo del gas

Quando il fluido di lavoro è un gas che viene compresso ed espanso ma non cambia fase, il ciclo frigorifero è chiamato ciclo a gas . L'aria è molto spesso questo fluido di lavoro. Non essendoci condensazione ed evaporazione previste in un ciclo a gas, i componenti corrispondenti al condensatore e all'evaporatore in un ciclo a compressione di vapore sono gli scambiatori di calore gas-gas caldo e freddo .

Per determinate temperature estreme, un ciclo del gas può essere meno efficiente di un ciclo di compressione del vapore perché il ciclo del gas funziona sul ciclo Brayton inverso invece del ciclo Rankine inverso . In quanto tale, il fluido di lavoro non riceve né respinge mai calore a temperatura costante. Nel ciclo a gas, l'effetto di refrigerazione è uguale al prodotto del calore specifico del gas per l'aumento di temperatura del gas nel lato a bassa temperatura. Pertanto, a parità di carico frigorifero, le macchine a ciclo frigorifero a gas richiedono una maggiore portata massica, che a sua volta ne aumenta le dimensioni.

A causa della loro minore efficienza e maggior ingombro, i refrigeratori a ciclo d'aria non vengono spesso applicati nella refrigerazione terrestre. La macchina a ciclo d'aria è molto comune, tuttavia, sulla turbina a gas -powered aerei a reazione poiché l'aria compressa è prontamente disponibile dalle sezioni di compressore dei motori. Le unità di raffreddamento e ventilazione di questi aerei a reazione hanno anche lo scopo di riscaldare e pressurizzare la cabina dell'aeromobile .

motore Stirling

Il motore termico a ciclo Stirling può essere azionato al contrario, utilizzando un input di energia meccanica per guidare il trasferimento di calore in una direzione inversa (cioè una pompa di calore o un frigorifero). Esistono diverse configurazioni di progettazione per tali dispositivi che possono essere costruite. Molte di queste configurazioni richiedono guarnizioni rotanti o scorrevoli, che possono introdurre difficili compromessi tra perdite per attrito e perdite di refrigerante.

Ciclo di Carnot invertito

Il ciclo di Carnot è un ciclo reversibile quindi i quattro processi che lo compongono, due isotermico e due isoentropico, possono anche essere invertiti. Quando un ciclo di Carnot viene eseguito in senso inverso, si parla di ciclo di Carnot invertito . Un frigorifero o una pompa di calore che agisce sul ciclo di Carnot inverso è chiamato rispettivamente frigorifero di Carnot o pompa di calore di Carnot. Nella prima fase di questo ciclo, il refrigerante assorbe isotermicamente calore da una sorgente a bassa temperatura, T L , nella quantità Q L . Successivamente, il refrigerante viene compresso isoentropicamente e la sua temperatura sale a quella della sorgente ad alta temperatura, T H . Quindi a questa temperatura elevata, il refrigerante respinge isotermicamente il calore nella quantità Q H . Anche in questa fase il refrigerante passa da vapore saturo a liquido saturo nel condensatore. Infine, il refrigerante si espande isentropicamente fino a quando la sua temperatura non scende a quella della sorgente a bassa temperatura, T L .

Coefficiente di performance

L'efficienza di un frigorifero o di una pompa di calore è data da un parametro chiamato coefficiente di prestazione (COP).

L'equazione è:

dove

  • è il calore utile fornito o sottratto dal sistema considerato.
  • è il lavoro richiesto dal sistema considerato.

Il COP dettagliato di un frigorifero è dato dalla seguente equazione:

Il COP di una pompa di calore (a volte indicato come coefficiente di amplificazione COA), dato dalla seguente equazione, dove Q H = Q L + W net,in :

Sia il COP di un frigorifero che di una pompa di calore possono essere maggiori di uno. Combinando queste due equazioni si ottiene:

per valori fissi di Q H e Q L .

Ciò implica che COP HP sarà maggiore di uno perché COP R sarà una quantità positiva. Nel peggiore dei casi, la pompa di calore fornirà tanta energia quanta ne consuma, facendola agire come un riscaldatore a resistenza. Tuttavia, in realtà, come nel riscaldamento domestico, una parte di Q H viene dispersa nell'aria esterna attraverso le tubazioni, l'isolamento, ecc., facendo così scendere il COP HP al di sotto dell'unità quando la temperatura dell'aria esterna è troppo bassa. Pertanto, il sistema utilizzato per riscaldare le case utilizza il carburante.

Per i frigoriferi e le pompe di calore Carnot, il COP può essere espresso in termini di temperature:

Riferimenti

Appunti

link esterno