Configurazioni dei cicli termodinamici: modalità di esercizio Heating-Cooling 1 Etanolo

Nel presente Par. 6.3.4.1 si illustrano le configurazioni dei cicli termodinamici con etanolo in presenza di compressione monofase nella modalità di esercizio Heating-Cooling (HC) 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.1.3.1 in Appendice.

In Figura 6.14 ed in Figura 6.15 sono riportati i diag. T-S dei cicli in esame (rispettivamente casi n° 1 ÷ 8, 9 ÷ 16, 17 ÷ 20 e n° 21 ÷ 28, 29 ÷ 36, 37 ÷ 40)39:

– Trasf. A – B: pressurizzazione in fase di liquido sottoraffreddato nella pompa di circolazione (casi n° 1 ÷ 8, 17 ÷ 20, 21 ÷ 28, 37 ÷ 40) oppure espansione bifase ad alta pressione (casi n° 9 ÷ 16, 29 ÷ 36);

– Trasf. B – C: cessione di potenza termica dalla fonte energetica al fluido di lavoro nel generatore di vapore (casi n° 1 ÷ 8, 17 ÷ 20, 21 ÷ 28, 37 ÷ 40) oppure fornitura di potenza termica dal fluido all’utenza nel condensatore a bassa pressione usato in luogo del generatore di vapore (casi n° 9 ÷ 16, 29 ÷ 36); – Trasf. C – D: espansione bifase, in particolare a bassa pressione nei casi n° 9 ÷ 16, 29 ÷ 36; – Trasf. D – E1: fornitura di potenza frigorifera dal fluido di lavoro all’utenza nell’evaporatore; – Trasf. Ei – Fi (i = 1 ÷ 6), Ei – Fi,1 (i = 1 ÷ 3): stadio i-esimo di compressione monofase;

– Trasf. Fi,1 – Fi,2 (i = 1 ÷ 3), Fi – Ei+1 (i = 2 ÷ 6): fornitura di potenza termica dal fluido di lavoro all’utenza nell’i-esimo inter-refrigeratore posto tra due stadi adiacenti di compressione oppure nel post-refrigeratore; – Trasf. Fi,2 – Ei+1 (i = 1 ÷ 3), F1 – E2: cessione di potenza termica dal fluido di lavoro alla sorgente termica a

bassa temperatura nell’i-esimo scambiatore di calore ubicato tra due stadi adiacenti di compressione; – Trasf. EN+1 – A (ove N è il numero degli stadi di compressione monofase): fornitura di potenza termica dal

fluido di lavoro all’utenza nel condensatore, in particolare ad alta pressione nei casi n° 9 ÷ 16, 29 ÷ 36. Si sottolinea che nei casi n° 9 ÷ 16, 29 ÷ 36 in cui la temperatura del fluido di lavoro nella trasf. EN+1 – A è maggiore della temperatura del fluido di lavoro nella trasf. B – C accade quanto di seguito:

 Durante la trasf. B – C nei casi 9 ÷ 12 ha luogo la fornitura di potenza termica dal fluido di lavoro all’utenza nel condensatore a bassa pressione e nei casi 13 ÷ 16 (non rappresentati in Figura 6.14) ha luogo la cessione di potenza termica dalla fonte energetica al fluido di lavoro nel generatore di vapore;

 I rendimenti isoentropici degli espansori bifase ad alta pressione (trasf. A – B) ed a bassa pressione (trasf. C – D) sono variati indipendentemente tra di loro (assumendo i valori di cui al Par. 6.3.1) al fine di considerare il differente titolo del fluido di lavoro nelle rispettive sezioni di ingresso.

Figura 6.14. Etanolo, comp. monofase, mod. HC: diag. T-S (casi n° 1 ÷ 8, 9 ÷ 16, 17 ÷ 20).

Figura 6.15. Etanolo, comp. monofase, mod. HC: diag. T-S (casi n° 21 ÷ 28, 29 ÷ 36, 37 ÷ 40). 39

I casi n° 1 ÷ 8 e n° 21 ÷ 28, n° 9 ÷ 16 e n° 29 ÷ 36, n° 17 ÷ 20 e n° 37 ÷ 40 associati ai cicli con etanolo in presenza di compressione monofase nella modalità di esercizio HC si ottengono considerando la temperatura del fluido di lavoro nell’evaporatore quale ulteriore parametro di processo (Par. 6.3.1) rispettivamente nei casi n° 13 ÷ 20, n° 1 ÷ 8, n° 9 ÷ 12 associati ai cicli con etanolo in presenza di compressione monofase nella modalità di esercizio H (Par. 6.3.2).

6.3.4.2. Nonano

Nel presente Par. 6.3.4.2 si illustrano le configurazioni dei cicli termodinamici con nonano in presenza di compressione monofase nella modalità di esercizio Heating-Cooling (HC) 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.1.3.2 in Appendice.

Nella Figura 6.16 è riportato il diag. T-S del ciclo in esame (casi n° 1 ÷ 8)40, le cui trasformazioni sono analoghe a quelle del ciclo termodinamico con nonano in presenza di compressione monofase nella modalità di esercizio Heating (casi n° 1 ÷ 4 in Figura 6.4 nel Par. 6.3.2.2) a meno delle seguenti differenze: – Nei casi n° 1 ÷ 4 nell’evaporatore (trasf. D – E1,1) ha luogo la fornitura di potenza frigorifera dal fluido di

lavoro (TD = 5 °C) all’utenza;

– Nei casi n° 5 ÷ 8 nell’evaporatore (trasf. D – E1,1) ha luogo la fornitura di potenza frigorifera dal fluido di lavoro (TD = -40 °C) all’utenza ed inoltre il processo di compressione monofase multistadio (trasf. E1,1 – F) è costituito da n° 7 stadi (medesimo rapporto di compressione pari a 6.61) con n° 3 inter-surriscaldatori ubicati a valle del quarto stadio di compressione (a monte di quest’ultimo non sono presenti inter- surriscaldatori in quanto in uscita da ciascuno stadio di compressione accade che il fluido di lavoro è nella fase di vapore surriscaldato).

Figura 6.16. Nonano, comp. monofase, mod. HC: diag. T-S (casi n° 1 ÷ 8).

Nella Figura 6.17 è riportato il diag. T-S del ciclo in esame (casi n° 9 ÷ 16), le cui trasformazioni sono analoghe a quelle di Figura 6.16 a meno delle seguenti differenze:

– Trasf. B – C1: il fluido di lavoro in uscita dallo scambiatore di calore, adoperato in luogo del generatore di vapore ed in cui avviene la fornitura di potenza termica dal fluido di lavoro all’utenza in corrispondenza della pressione coincidente con la pressione di vapore saturo umido associata alla temperatura pari a 60 °C, si trova nella fase di vapore saturo secco (punto C1);

– Trasf. C1 – C2: espansione monofase a bassa pressione;

– Trasf. C2 – C3: cessione di potenza termica dal fluido di lavoro alla sorgente termica a bassa temperatura in corrispondenza della pressione coincidente con la pressione di vapore saturo umido associata alla temperatura pari a 25 °C, in particolare il titolo in uscita (punto C3) è fissato pari a zero (liquido saturo); – Trasf. C3 – D: espansione bifase a bassa pressione.

Durante la trasf. D – E1,1 ha luogo la fornitura di potenza frigorifera dal fluido (TD = 5 °C nei casi n° 9 ÷ 12, TD = –40 °C nei casi n° 13 ÷ 16) all’utenza ed inoltre la compressione monofase multistadio in presenza degli inter-surriscaldatori (trasf. E1,1 – F) è identica a quella di Figura 6.16. Inoltre nei casi n° 9 ÷ 12 non può avere luogo la rigenerazione termica tramite cessione di potenza termica dal fluido lato caldo in uscita dall’espansore monofase a bassa pressione (punto C2) al medesimo fluido lato freddo in ingresso nel secondo inter-surriscaldatore (punto E2,1) a seguito della insufficiente temperatura del fluido lato caldo.

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I casi n° 1 ÷ 8, 9 ÷ 16, 17 ÷ 24, 25 ÷ 28, 29 ÷ 32, 33 ÷ 36, 37 ÷ 44, 45 ÷ 48 associati ai cicli termodinamici operanti con nonano con compressione monofase nella modalità di esercizio Heating-Cooling si ottengono considerando la temperatura del fluido di lavoro nell’evaporatore quale ulteriore parametro di sensitività (Par. 6.3.1) rispettivamente nei casi n° 1 ÷ 4, 5 ÷ 6, 7 ÷ 8, 9, 10 ÷ 11, 12, 13 ÷ 14, 15 associati ai cicli termodinamici operanti con nonano con compressione monofase nella modalità di esercizio Heating (Par. 6.3.2.2).

Figura 6.17. Nonano, comp. monofase, mod. HC: diag. T-S (casi n° 9 ÷ 16).

Nella Figura 6.18 è riportato il diag. T-S del ciclo in esame (casi n° 17 ÷ 28), le cui trasformazioni sono analoghe a quelle di Figura 6.17 a meno delle seguenti differenze:

– Trasf. A – B: pressurizzazione nella fase di liquido sottoraffreddato;

– Trasf. B – C1: fornitura di potenza termica nel generatore di vapore dalla fonte energetica al fluido di lavoro ed inoltre il fluido di lavoro in uscita (punto C1) si trova alla temperatura pari a 310 °C nella fase di liquido saturo (casi n° 17 ÷ 24) oppure nella fase di vapore saturo secco (casi n° 25 ÷ 28);

– Trasf. C1 – C3: espansione bifase ad alta pressione e successiva espansione monofase a bassa pressione (casi n° 17 ÷ 24) oppure espansione monofase (casi n° 25 ÷ 28);

– Trasf. C3 – C4: fornitura di potenza termica dal fluido di lavoro all’utenza in corrispondenza della pressione coincidente con la pressione di vapore saturo umido associata alla temperatura pari a 50 °C ed inoltre il titolo in uscita (punto C4) è fissato pari a zero (liquido saturo).

Figura 6.18. Nonano, comp. monofase, mod. HC: diag. T-S (casi n° 17 ÷ 28).

Nella Figura 6.19 è riportato il diag. T-S del ciclo in esame (casi n° 29 ÷ 32), le cui trasformazioni sono analoghe a quelle del ciclo termodinamico con nonano in presenza di compressione monofase in modalità di esercizio Heating (casi n° 10 ÷ 11 in Figura 6.7 nel Par. 6.3.2.2) a meno delle seguenti differenze:

– Nei casi n° 29 ÷ 30 nell’evaporatore (trasf. D – E1,1) ha luogo la fornitura di potenza frigorifera dal fluido di lavoro (TD = 5 °C) all’utenza;

– Nei casi n° 31 ÷ 32 nell’evaporatore (trasf. D – E1,1) ha luogo la fornitura di potenza frigorifera dal fluido di lavoro (TD = –40 °C) all’utenza ed inoltre il processo di compressione monofase multistadio (trasf. E1,1– F) è costituito da n° 4 stadi (medesimo rapporto di compressione pari a 5.69) in assenza di inter- surriscaldatori in quanto in uscita da ciascuno stadio di compressione accade che il fluido di lavoro è nella fase di vapore surriscaldato.

Nella Figura 6.20 è riportato il diag. T-S del ciclo in esame (casi n° 33 ÷ 48), le cui trasformazioni sono analoghe a quelle di Figura 6.19 a meno delle seguenti differenze:

– Trasf. C1 – C3: espansione monofase (casi n° 33 ÷ 36, 45 ÷ 48 in cui il fluido di lavoro in uscita dal generatore di vapore nel punto C1 si trova nella fase di vapore saturo secco) oppure espansione bifase ad alta pressione e successiva espansione monofase a bassa pressione (casi n° 37 ÷ 44 in cui il fluido di lavoro in uscita dal generatore di vapore nel punto C1 si trova nella fase di liquido saturo);

– Trasf. C3 – C4,1: fornitura di potenza termica dal fluido di lavoro all’utenza;

– Trasf. C4,1 – C4,2: rigenerazione termica presente nei casi n° 33 ÷ 34, 37 ÷ 40, 45 ÷ 46 ove ha luogo la cessione di potenza termica dal fluido di lavoro lato caldo al medesimo fluido di lavoro lato freddo nel secondo surriscaldamento (trasf. E2,1 – E2,2), inoltre tale trasf. C4,1 – C4,2 è assente nei casi n° 35 ÷ 36, 41 ÷ 44, 47 ÷ 48 a seguito dell’assenza di inter-surriscaldatori (come in Figura 6.19 in tali casi accade che TD = –40 °C ed il processo di compressione monofase multistadio (trasf. E1,1 – F) è costituito da n° 4 stadi in assenza di inter-surriscaldatori in quanto in uscita da ciascuno stadio di compressione accade che il fluido di lavoro è nella fase di vapore surriscaldato. Si sottolinea che nei casi 33 ÷ 34 la temperatura del fluido di lavoro in uscita dall’espansore monofase (punto C3) è circa pari a 40 °C per cui non è idonea per la fornitura di potenza termica all’utenza ma è idonea per la suddetta rigenerazione termica (ossia cessione di potenza termica al medesimo fluido di lavoro nel secondo surriscaldatore);

– Trasf. C4,2 – C5: cessione di potenza termica dal fluido alla sorgente termica a bassa temperatura; – Trasf. C5 – D: espansione bifase a bassa pressione.

Si osserva che le suddette trasf. C3 – C4,1, C4,1 – C4,2, C4,2 – C5 hanno luogo in corrispondenza della pressione coincidente con la pressione di vapore saturo umido associata alla temperatura pari a 25 °C ed inoltre il titolo del fluido di lavoro in uscita (punto C5) è fissato pari a zero (liquido saturo).

Figura 6.20. Nonano, comp. monofase, mod. HC: diag. T-S (casi n° 33 ÷ 48).