Parametri di processo, indicatori delle prestazioni energetiche

Nel presente Par. 6.3.1 sono riportati i parametri di processo oggetto dell’analisi di sensitività ed associati alle tre modalità di esercizio Heating Cooling, Heating-Cooling (Par. 6.2) dei cicli termodinamici in cui la compressione dei due fluidi di lavoro prescelti (Par. 6.2) ha luogo nella fase del vapore surriscaldato:

1) La temperatura del fluido di lavoro nel condensatore (TCND), associata alla fornitura all’utenza di potenza termica,è assunta nel range costituito dai valori TCND,min = 50 °C per entrambi i fluidi di lavoro prescelti (valore idoneo per il riscaldamento di edifici tramite fluido termovettore, circolante in pannelli radianti, avente temperatura pari a circa 40 °C) e TCND,max (valore fissato circa 40 °C inferiore alla temperatura critica del fluido di lavoro) per cui i valori di TCND,max associati all’etanolo ed al nonano sono rispettivamente pari a 200 °C e 280 °C (valori idonei per processi industriali con fluido termovettore avente temperatura circa pari a 190 °C e 270 °C nel caso rispettivamente dell’etanolo e del nonano). Di seguito sono sintetizzati i valori di TCND associati ai due fluidi di lavoro prescelti:

 Etanolo: TCND,min = 50 °C, TCND,max = 200 °C;

 Nonano: TCND,min = 50 °C, TCND,max = 280 °C.

2) La temperatura del fluido di lavoro nell’evaporatore (TEVA), associata alla fornitura all’utenza di potenza frigorifera, è assunta nel range costituito dai seguenti valori per entrambi i fluidi di lavoro:

 TEVA,min = –40 °C (valore idoneo per cooling industriale con fluido termovettore avente temperatura pari

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In generale, ad eccezione di alcuni casi particolari (ad es. condensazione a film a bassa velocità e con film spesso), il coefficiente di scambio termico associato ad un fluido è maggiore nel caso in cui esso è nella fase di vapore saturo umido piuttosto che nella regione del vapore surriscaldato sia nel caso di assorbimento di potenza termica sia nel caso di cessione di potenza termica.

35 _{L’etanolo ed il nonano, adoperati nell’ambito delle analisi di sensitività sui parametri di processo e sul rendimento dei}

dispositivi bifase, non sono idonei nell’ambito dei casi studio in quanto hanno bassa densità in corrispondenza di bassi valori della temperatura. Pertanto la fornitura di potenza frigorifera all’utenza ha luogo tramite l’impiego di elevate sezioni di passaggio delle tubazioni.

a circa –30 °C), TEVA,max = 5 °C (valore idoneo per il condizionamento di edifici tramite fluido termovettore avente temperatura pari a circa 15 °C).

3) La temperatura del fluido di lavoro in uscita dal generatore di vapore (TGV) è assunta nel range costituito dai valori TGV,min = 60 °C per entrambi i fluidi di lavoro prescelti e TGV,max (valore fissato circa 10 °C inferiore alla temperatura critica del fluido di lavoro). Di seguito sono riportati i valori di TGV associati ai due fluidi di lavoro prescelti:

 Etanolo: TGV,min = 60 °C, TGV,max = 230 °C;

 Nonano: TGV,min = 60 °C, TGV,max = 310 °C.

4) Il titolo del fluido di lavoro in uscita dal generatore di vapore (xGV) è assunto, in maniera identica ai due cicli di riferimento Mokadam e Fabris, nel range costituito dai seguenti valori per entrambi i fluidi prescelti:

 xGV,min = 0 (liquido saturo), xGV,max = 1 (vapore saturo secco);

5) Il rendimento isoentropico dell’espansore bifase è assunto nel range costituito dai seguenti valori (i valori minimo e massimo del rendimento in esame sono approssimativamente uguali agli omologhi valori del rendimento isoentropico degli espansori bifase riportati nei riferimenti bibliografici del Cap. 4):

 ηE,min = 0.50, ηE,max = 0.80.

D’altra parte il processo di compressione monofase è considerato multistadio (dotato di inter-refrigeratori e post-refrigeratore) ossia costituito da molteplici stadi di compressione (N) aventi medesimo rapporto di compressione (R), in particolare il valore di N è scelto in maniera tale che il corrispondente valore massimo di R sia circa pari a 736. Nella Tabella 6.1 sono riportati, per l’etanolo ed il nonano, i valori di N ed R in corrispondenza delle suddette grandezze TCND, TEVA [°C] (PCND, PEVA [bar] sono i valori delle pressioni di vapore saturo umido del fluido di lavoro corrispondenti rispettivamente a TCND, TEVA).

Etanolo TCND [°C] PCND [bar] 25 7.95•10–2 50 2.97•10–1 200 29.87 TEVA [°C] PEVA [bar] 5 2.28•10–2 N = 1 R = 3.49 N = 2 R = 3.61 N = 4 R = 6.02 –40 5.76•10–4 N = 3 R = 5.17 N = 4 R = 4.77 N = 6 R = 6.11 Etanolo TCND [°C] PCND [bar] 25 5.81•10–3 50 2.42•10–2 200 12.68 TEVA [°C] PEVA [bar] 5 1.47•10–3 N = 1 R = 3.95 N = 2 R = 4.06 N = 5 R = 6.12 –40 2.30•10–5 N = 3 R = 6.32 N = 4 R = 5.69 N = 7 R = 6.61 Tabella 6.1. Etanolo, nonano: N, R al variare di TCND [°C], PCND [bar], TEVA [°C], PEVA [bar].

Gli indicatori adoperati per la valutazione delle prestazioni energetiche dei cicli termodinamici in presenza di compressione monofase sono i seguenti: Energy Utilization Factor (EUF, Par. 2.4.1), Exergy Efficiency (EE, Par. 2.4.2), Trigeneration Primary Energy Saving (TPES, Par. 2.4.3).

Si sottolinea quanto di seguito in merito alla formulazione di EE, in accordo a quanto descritto nel Par. 2.4.2: – T0 = temperatura dell’ambiente di riferimento è fissata pari a 15 °C;

– In ciascuno scambiatore di calore si trascurano le irreversibilità associate allo scambio termico tra fluidi aventi temperature differenti e le irreversibilità associate alla caduta di pressione, ne consegue che il calcolo della potenza meccanica WR (Par. 2.4.2) è eseguito considerando le irreversibilità esclusivamente negli espansori, nei compressori e nella pompa di circolazione;

– La potenza meccanica WTH associata ai cicli termodinamici endoreversibili (Par. 2.4.2) è calcolata considerando la portata massica unitaria del fluido di lavoro.

– Nei casi in cui le suddette potenze meccaniche WTH, WR assumono rispettivamente segno positivo e negativo allora l’indicatore EE non ha alcun significato.

L’analisi di sensitività dei cicli termodinamici con compressione monofase consiste nella determinazione della n-pla dei valori dei parametri di processo (tra i valori riportati nel Par. 6.3.1), per ciascuna delle tre

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Il rapporto di compressione (R) di un singolo stadio appartenente ad un gruppo di compressione (costituito da un numero N di stadi) si calcola tramite la seguente equazione R = (Pout/Pin)1/N ove Pout, Pin rappresentano le pressioni nelle

modalità di esercizio Heating, Cooling, Heating-Cooling, in corrispondenza della quale i suddetti indicatori delle prestazioni energetiche assumono valore massimo. Si sottolinea che i valori degli indicatori delle prestazioni, corrispondenti alla n-pla dei parametri di processo individuata a seguito dell’analisi di sensitività in esame, non necessariamente rappresentano massimi assoluti. In altre parole i valori massimi assoluti degli indicatori delle prestazioni energetiche possono corrispondere a valori dei parametri di processo distinti da quelli individuati a seguito dell’analisi di sensitività in esame, pertanto quest’ultima non costituisce un’ottimizzazione termodinamica.

6.3.2. Configurazioni dei cicli termodinamici: modalità di esercizio Heating