8. CICLI DI CO-TRIGENERAZIONE CON COMPRESSORI MONOFASE O BIFASE: CASI STUDIO
8.2. Utenze residenziale, industriale: fabbisogni energetic
Nella Tabella 8.1 sono riportati i fabbisogni energetici delle utenze residenziale ed industriale: 1) Utenza residenziale (R):
– Fabbisogno di potenza termica (FPT): potenza termica (WH,U) pari a 25 kW adoperata per il riscaldamento di ambienti confinati (incluso piscine) e/o produzione di acqua calda sanitaria tramite un fluido termovettore avente temperatura (TF) pari a 40 °C, a tale fine la temperatura del fluido di lavoro nel condensatore del ciclo termodinamico (TCND) è assunta pari a 50 °C;
– Fabbisogno di potenza frigorifera (FPF): potenza frigorifera (WC,U) pari a 15 kW adoperata per la conservazione degli alimenti in una cella frigorifera tramite un fluido termovettore avente temperatura (TF) circa pari a 10 °C, a tale fine la temperatura del fluido di lavoro nell’evaporatore del ciclo termodinamico (TEVA) è assunta pari a 0 °C;
– Fabbisogno di potenza elettrica (FPE): potenza elettrica (WE) pari a 20 kW. 2) Utenza industriale (I):
– Fabbisogno di potenza termica (FPT): potenza termica (WH,U) pari a 100 kW adoperata per la sterilizzazione degli alimenti tramite fluido termovettore avente temperatura (TF) pari a 90 °C, a tale fine la temperatura del fluido di lavoro nel condensatore del ciclo termodinamico (TCND) è assunta pari a 100 °C;
– Fabbisogno di potenza frigorifera (FPF): potenza frigorifera (WC,U) pari a 90 kW adoperata per il congelamento degli alimenti tramite fluido termovettore avente temperatura (TF) pari a -10 °C, a tale fine la temperatura del fluido di lavoro nell’evaporatore del ciclo termodinamico (TEVA) è assunta pari a -20 °C;
– Fabbisogno di potenza elettrica (FPE): potenza elettrica (WE) pari a 80 kW.
FPE FPT FPF R WE,U = 20 kW WH,U = 25 kW WC,U = 15 kW TCND = 50 °C TEVA = 0 °C TF = 40 °C TF = 10 °C I WE,U = 80 kW WH,U = 100 kW WC,U = 90 kW TCND = 100 °C TEVA = -20 °C TF = 90 °C TF = -10 °C
Tabella 8.1. Utenze residenziale (R) ed industriale (I): fabbisogni energetici.
8.3. Determinazione dei parametri di processo
Nel presente Par. 8.3 è descritto il criterio adoperato per la determinazione dei parametri di processo nei casi studio associati ai cicli termodinamici operanti con metanolo oppure pentano con compressione monofase oppure bifase fissate le seguenti grandezze:
– Temperatura del fluido di lavoro in uscita dal generatore di vapore (TGV), pari a 230 °C per il metanolo e 185 °C per il pentano, entrambe minori di circa 10 °C delle temperature critiche dei rispettivi fluidi;
– Temperatura del fluido di lavoro nel condensatore (TCND) riportata in Tabella 8.1; – Temperatura del fluido di lavoro nell’evaporatore (TEVA) riportata in Tabella 8.1; – Potenza elettrica richiesta dall’utenza (WE,U) riportata in Tabella 8.1;
– Potenza termica richiesta dall’utenza (WH,U) riportata in Tabella 8.1; – Potenza frigorifera richiesta dall’utenza (WC,U) riportata in Tabella 8.1. Nelle modalità di esercizio H, C si definiscono le seguenti grandezze:
– Potenza massima richiesta dall’utenza (WMAX,U) rappresenta il valore massimo tra i valori della potenza elettrica, della potenza termica (nella modalità di esercizio H) o della potenza frigorifera (nella modalità di esercizio C) richieste dall’utenza, ossia WMAX,U = max(WE,U, WH,U oppure WC,U);
– Potenza minima richiesta dall’utenza (WMIN,U) rappresenta il valore minimo tra i valori della potenza elettrica, della potenza termica (nella modalità di esercizio H) o della potenza frigorifera (nella modalità di esercizio C) richieste dall’utenza, ossia WMIN,U = min(WE,U, WH,U o WC,U);
– Potenza massima fornita dal fluido di lavoro all’utenza (WMAX,F) rappresenta il valore massimo tra i valori della potenza elettrica (WE,F), della potenza termica (WH,F nella modalità di esercizio H) o della potenza frigorifera (WC,F nella modalità di esercizio C) fornite dal fluido di lavoro all’utenza, ossia WMAX,F = max(WE,F, WH,F o WC,F);
– Potenza minima fornita dal fluido di lavoro all’utenza (WMIN,F) rappresenta il valore minimo tra i valori della potenza elettrica (WE,F), della potenza termica (WH,F nella modalità di esercizio H) o della potenza frigorifera (WC,F nella modalità di esercizio C) fornite dal fluido di lavoro all’utenza, ossia WMIN,F = min(WE,F, WH,F o WC,F);
Analogamente nella modalità di esercizio HC si definiscono le seguenti grandezze: – Potenza massima richiesta dall’utenza WMAX,U = max(WE,U, WH,U, WC,U);
– Potenza minima richiesta dall’utenza WMIN,U = min(WE,U, WH,U, WC,U);
– Potenza intermedia richiesta dall’utenza (WINT,U) rappresenta il valore intermedio tra i valori della potenza elettrica, della potenza termica, della potenza frigorifera richieste dall’utenza, in altre parole WMIN,U < WINT,U(WE,U, WH,U, WC,U) < WMAX,U:
– Potenza massima fornita dal fluido di lavoro all’utenza WMAX,F = max(WE,F, WH,F, WC,F); – Potenza minima fornita dal fluido di lavoro all’utenza WMIN,F = min(WE,F, WH,F, WC,F);
– Potenza intermedia fornita dal fluido di lavoro all’utenza (WINT,F) rappresenta il valore intermedio tra i valori della potenza elettrica, della potenza termica, della potenza frigorifera fornite dal fluido di lavoro all’utenza, in altre parole WMIN,F < WINT,F(WE,F, WH,F, WC,F) < WMAX,F.
La determinazione dei parametri di processo, in particolare la portata massica del fluido di lavoro (mF [kg/s]), il titolo in uscita dal generatore di vapore (xGV [-]), il titolo in ingresso nel compressore bifase (xCP [-], tale parametro è presente esclusivamente nei cicli termodinamici con compressione bifase), il titolo in uscita dal dissipatore termico (xDIS [-]) è eseguita in maniera tale che WMAX,F = WMAX,U92 e possibilmente in maniera tale che WMIN,F = WMIN,U, WINT,F = WINT,U, a tale proposito possono avere luogo le seguenti situazioni tra di loro alternative:
1) Modalità di esercizio H, C:
1a) WMAX,F = WMAX,U, WMIN,F = WMIN,U: i suddetti parametri di processo sono determinati in maniera tale da massimizzare il TPES;
1b) WMAX,F = WMAX,U, WMIN,F < WMIN,U: i suddetti parametri di processo sono determinati in maniera tale da
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Nel caso in cui la determinazione dei parametri di processo, eseguita in maniera tale che WMAX,F = WMAX,U, implica che
WINT,F > WINT,U e WMIN,F > WMIN,U allora si rende necessaria la dissipazione del surplus di potenza prodotta
(rispettivamente WINT,F – WINT,U, WMIN,F – WMIN,U). Al fine di evitare tale dissipazione si rende necessario eseguire la
determinazione dei parametri di processo in maniera tale che WINT,F = WINT,U oppure WMIN,F = WMIN,U, in tale situazione
massimizzare WMIN,F;
1c) WMAX,F = WMAX,U, WMIN,F = 0 (ossia assenza di WMIN,F): i suddetti parametri di processo sono determinati in maniera tale da massimizzare il TPES.
2) Modalità di esercizio HC:
2a) WMAX,F = WMAX,U, WINT,F = WINT,U, WMIN,F = WMIN,U: i suddetti parametri di processo sono determinati in maniera tale da massimizzare il TPES;
2b) WMAX,F = WMAX,U, WINT,F > WINT,U, WMIN,F < WMIN,U (oppure WINT,F < WINT,U, WMIN,F > WMIN,U): i suddetti parametri di processo sono determinati in maniera tale da ottenere un compromesso tra i seguenti rapporti WINT,F/WINT,U e WMIN,F/WMIN,U;
2c) WMAX,F = WMAX,U, WINT,F < WINT,U, WMIN,F < WMIN,U: i suddetti parametri di processo sono determinati in maniera tale da ottenere un compromesso tra i seguenti rapporti WINT,F/WINT,U e WMIN,F/WMIN,U; 2d) WMAX,F = WMAX,U, WMIN,F = 0 (ossia assenza di WMIN,F) oppure WINT,F = 0 (ossia assenza di WINT,F): i
suddetti parametri di processo sono determinati in maniera tale da massimizzare rispettivamente WINT,F oppure WMIN,F.
Si osserva che il dissipatore termico, ove il fluido di lavoro cede potenza termica alla sorgente termica a bassa temperatura (quest’ultima assunta a T = 15 °C per cui la temperatura di condensazione del fluido di lavoro è assunta pari a 25 °C), è adoperato nei seguenti casi:
– Ciclo termodinamico con metanolo in presenza di compressione bifase nella modalità di esercizio Heating (utenze residenziale o industriale) ove tale dissipatore è ubicato a monte del compressore bifase;
– Ciclo termodinamico con metanolo in presenza di compressione bifase nella modalità di esercizio Heating-Cooling (utenze residenziale o industriale) ove tale dissipatore è ubicato a monte dell’espansore bifase di bassa pressione;
– Ciclo termodinamico con pentano in presenza di compressione monofase oppure bifase nelle modalità di esercizio Cooling, Heating-Cooling ove tale dissipatore è ubicato a monte dell’espansore bifase di bassa pressione;
– Ciclo termodinamico con metanolo in presenza di compressione bifase nella modalità di esercizio Cooling (utenze residenziale o industriale) ove tale dissipatore è ubicato a valle del compressore bifase;
– Ciclo termodinamico con pentano in presenza di compressione bifase nella modalità di esercizio Heating (utenze residenziale o industriale) ove tale dissipatore è ubicato a monte del compressore bifase.
Infine si assume quanto di seguito:
– Rendimento isoentropico dell’espansore bifase pari a 0.80; – Rendimento isoentropico dell’espansore monofase pari a 0.85; – Rendimento isoentropico del compressore bifase pari a 0.75; – Rendimento isoentropico del compressore monofase pari a 0.80; – Rendimento della pompa di circolazione pari a 0.85.