Configurazioni dei cicli termodinamici: modalità di esercizio Cooling 1 Etanolo

Nel presente Par. 6.3.3.1 si illustrano le configurazioni dei cicli termodinamici con etanolo in presenza di compressione monofase nella modalità di esercizio Cooling (C) concepiti nell’ambito dell’analisi di sensitività sui parametri di processo.

I valori degli stati termodinamici, delle potenze scambiate nelle rispettive unità e degli indicatori delle prestazioni energetiche dei cicli in esame sono riportati nel Par. A.1.2.1 in Appendice.

In Figura 6.10 è riportato il diag. T-S del ciclo in esame (casi n° 1 ÷ 8):

– Trasf. A – B1: incremento della pressione in fase di liquido sottoraffreddato;

– Trasf. B1 – B2: rigenerazione termica in cui il fluido di lavoro lato freddo assorbe la potenza termica ceduta dal medesimo fluido di lavoro lato caldo in uscita dal compressore monofase (trasf. F1,1 – F1,2). La minima differenza di temperatura ammissibile tra il fluido di lavoro lato caldo ed il fluido di lavoro lato freddo è considerata pari a circa 10 °C;

– Trasf. B2 – C: cessione di potenza termica dalla fonte energetica al fluido di lavoro; – Trasf. C – D: espansione bifase;

– Trasf. D – E1: fornitura di potenza frigorifera dal fluido di lavoro all’utenza; – Trasf. E1 – F1,1; compressione monofase monostadio;

– Trasf. F1,2 – A: cessione di potenza termica dal fluido di lavoro alla sorgente termica a bassa temperatura. In Figura 6.11 sono riportati i diag. T-S (casi n° 9 ÷ 12, 13 ÷ 16), le cui trasformazioni sono analoghe a quelle di Figura 6.10 a meno delle seguenti differenze:

– Trasf. E1 – F1, E2 – F2,1, E3 – F3,1: stadio i-esimo di compressione monofase, in particolare il fluido di lavoro in uscita dal primo stadio di compressione (punto F1) si trova a temperatura inferiore rispetto alla temperatura minima necessaria (pari a 25 °C) per consentire la cessione di potenza termica alla sorgente termica a bassa temperatura (pari a 15 °C), pertanto l’inter-refrigeratore (tra il primo ed il secondo stadio di compressione) è assente;

– Trasf. B1 – B2,1, B2,1 – B2,2: rigenerazione termica in cui il fluido di lavoro lato freddo assorbe la potenza termica ceduta dal medesimo fluido di lavoro lato caldo in uscita rispettivamente dal secondo stadio di compressione (trasf. F2,1 – F2,2) e dal terzo stadio di compressione (trasf. F3,1 – F3,2). La minima differenza di temperatura ammissibile tra il fluido di lavoro lato caldo ed il fluido di lavoro lato freddo è considerata pari a circa 10 °C. Inoltre si osserva quanto di seguito:

 Nei casi n° 9 ÷ 10 il fluido nel punto B2,1 si trova alla temperatura di 60 °C nella fase di liquido saturo a seguito della potenza termica scambiata durante la rigenerazione termica nelle trasf. F2,1 – F2,2 (lato caldo) e B1 – B2,1 (lato freddo) pertanto sono assenti sia la rigenerazione termica associata alle trasf. F3,1 – F3,2 (lato caldo) e B2,1 – B2,2 (lato freddo) sia il generatore di vapore (trasf. B2,2 – C);

 Nei casi n° 11 ÷ 12 il fluido nel punto B2,1 si trova alla temperatura di 60 °C nella fase di vapore saturo umido e nei casi n° 13 ÷ 16 il fluido nel punto B2,1 si trova alla temperatura circa pari a 62 °C nella fase di liquido sottoraffreddato. Nei casi n° 11 ÷ 12, 13 ÷ 16 sono presenti sia la rigenerazione termica costituita dalle trasf. F2,1 – F2,2 (lato caldo) e B1 – B2,1 (lato freddo) e trasf. F3,1 – F3,2 (lato caldo) e B2,1 –

B2,2 (lato freddo) sia il generatore di vapore (trasf. B2,2 – C);

– Trasf. F2,2 – E3, F3,2 – A: cessione di potenza termica dal fluido alla sorgente termica a bassa temperatura.

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Figura 6.10. Etanolo, comp. monofase, mod. C: diag. T-S (casi n° 1 ÷ 8).

Figura 6.11. Etanolo, comp. monofase, mod. C: diag. T-S (9 ÷ 12, 13 ÷ 16).

6.3.3.2. Nonano

Nel presente Par. 6.3.3.2 si illustrano le configurazioni dei cicli termodinamici con nonano in presenza di compressione monofase nella modalità di esercizio Cooling (C) concepiti nell’ambito dell’analisi di sensitività sui parametri di processo.

I valori degli stati termodinamici, delle potenze scambiate nelle rispettive unità e degli indicatori delle prestazioni energetiche dei cicli in esame sono riportati nel Par. A.1.2.2 in Appendice.

In Figura 6.12 è riportato il diag. T-S del ciclo in esame (casi n° 1 ÷ 4) ove: – Trasf. A – B: pressurizzazione del fluido di lavoro in fase liquida;

– Trasf. B – C: fornitura di potenza termica nel generatore di vapore dalla fonte energetica al fluido di lavoro (TC = 60 °C) ed inoltre il titolo in uscita (punto C) è fissato pari a zero (liquido saturo);

– Trasf. C – D: espansione bifase;

– Trasf. D – E1,1: fornitura di potenza frigorifera nell’evaporatore dal fluido di lavoro (TD = 5 °C nei casi n° 1 ÷ 2, TD = -40 °C nei casi n° 3 ÷ 4) all’utenza;

– Trasf. E1,1 – F: compressione monofase, in particolare:

a) Nei casi n° 1 ÷ 2 si esegue un processo di compressione monofase monostadio (rapporto di compressione pari a 3.94) preceduto dal surriscaldatore E1,1 – Ei,2 ove ha luogo la cessione di potenza termica dalla sorgente termica a bassa temperatura (avente TSB = 15 °C) al fluido di lavoro (TE1,2 ≈ 5 °C). Inoltre la potenza termica scambiata nel surriscaldatore in esame è determinata in maniera tale che il titolo in uscita dal processo di compressione (punto F) sia pari ad 1 (vapore saturo secco); b) Nei casi n° 3 ÷ 4 si esegue un processo di compressione monofase multistadio (n° 3 stadi ciascuno

con rapporto di compressione pari a 6.32) in assenza di inter-surriscaldatori in quanto il fluido di lavoro in uscita da ciascuno stadio di compressione si trova nella fase di vapore surriscaldato. In uscita dall’ultimo stadio di compressione (punto F) il fluido si trova nella fase di vapore surriscaldato a temperatura circa pari a 39 °C38 (in corrispondenza della pressione di vapore saturo umido associata alla temperatura pari a 25 °C);

– Trasf. F – A: cessione di potenza termica nel dissipatore termico dal fluido di lavoro (TA = 25 °C) alla sorgente termica a bassa temperatura (avente TSB = 15 °C).

38

Nei casi n° 3 ÷ 4 è presente la rigenerazione termica tra il fluido di lavoro lato caldo in uscita dal processo di compressione monofase (TF ≈ 39 °C) ed il medesimo fluido di lavoro lato freddo in uscita dalla pompa di circolazione (TB

≈ 25 °C), in particolare la temperatura del fluido di lavoro lato caldo in uscita dal rigeneratore termico è fissata pari a 35 °C in maniera tale che la differenza di temperatura tra i due fluidi nella sezione in esame sia pari a 10 °C.

Figura 6.12. Nonano, comp. monofase, mod. C: diag. T-S (casi n° 1 ÷ 4).

Nella Figura 6.13 sono riportati i diag. T-S dei cicli in esame (casi n° 5 ÷ 8, 9 ÷ 20), le cui trasformazioni sono analoghe a quelle di Figura 6.12 a meno delle seguenti differenze:

– Trasf. B1 – B2: rigenerazione termica in cui il fluido di lavoro lato freddo in uscita dalla pompa di circolazione (punto B1) assorbe la potenza termica ceduta dal medesimo fluido di lavoro lato caldo (trasf. C3 – C4) in uscita dall’espansore (punto C3);

– Trasf. B2 – C1: fornitura di potenza termica nel generatore di vapore dalla fonte energetica al fluido (TC1 = 60 °C nei casi n° 5 ÷ 8, TC1 = 310 °C nei casi n° 9 ÷ 20), inoltre il titolo in uscita (punto C1) è fissato pari a zero (liquido saturo nei casi n° 9 ÷ 16) o pari ad uno (vapore saturo secco nei casi n° 5 ÷ 8, 17 ÷ 20); – Trasf. C1 – C2, C2 – C3: processo di espansione, in particolare monofase (casi n° 5 ÷ 8, 17 ÷ 20) oppure

espansione bifase ad alta pressione seguito da espansione monofase a bassa pressione (casi n° 9 ÷ 16); – Trasf. C4 – C5: cessione di potenza termica nel dissipatore termico dal fluido di lavoro (TC5 = 25 °C) alla

sorgente termica a bassa temperatura (avente TSB = 15 °C) ed inoltre il titolo in uscita dal dissipatore in esame (punto C5) è fissato pari a zero (liquido saturo);

– Trasf. C5 – D: espansione bifase;

– Trasf. D - E1,1: fornitura di potenza frigorifera nell’evaporatore dal fluido di lavoro (TE1,1 = 5 °C nei casi n° 5 ÷ 6, 9 ÷ 12, 17 ÷ 18 oppure TE1,1 = -40 °C nei casi n° 7 ÷ 8, 13 ÷ 16, 19 ÷ 20) all’utenza;

– Trasf. E1,1 – F: compressione monofase, in particolare monostadio con surriscaldatore ove ha luogo la cessione di potenza termica dalla sorgente termica a bassa temperatura (avente TSB = 15 °C) al fluido di lavoro (TE1,2 ≈ 5 °C) in maniera tale che quest’ultimo in uscita dal processo di compressione (punto F) si trovi nella fase di vapore saturo secco (nei casi n° 5 ÷ 6, 9 ÷ 12, 17 ÷ 18) oppure multistadio (n° 3 stadi) in assenza di inter-surriscaldatori in quanto il fluido in uscita da ciascuno stadio di compressione si trova nella fase di vapore surriscaldato (nei casi n° 7 ÷ 8, 13 ÷ 16, 19 ÷ 20);

– Trasf. F – A: cessione di potenza termica nel dissipatore termico dal fluido di lavoro (TA = 25 °C) alla sorgente termica a bassa temperatura (avente TSB = 15 °C).

La cessione di potenza termica dal fluido di lavoro alla sorgente termica a bassa temperatura avviene sia nella trasf. C4 – C5 sia nella trasf. F – A nei rispettivi dissipatori termici al fine di consentire la fornitura di potenza frigorifera all’utenza nei casi in esame n° 5 ÷ 20. In particolare entrambi i suddetti scambi termici hanno luogo in corrispondenza della pressione di vapore saturo umido associata alla temperatura pari a 25 °C: in tale modo la potenza meccanica prodotta a seguito del processo di espansione monofase è massima e nello stesso tempo la potenza meccanica spesa per il processo di compressione monofase è minima.

6.3.4. Configurazioni dei cicli termodinamici: modalità di esercizio Heating-Cooling