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Università di Pisa
Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale
Tesi di Laurea Specialistica in
Ingegneria Meccanica
PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA DI SOLAR
COOLING IN UN IMPIANTO ESISTENTE DI
CONDIZIONAMENTO DI UFFICI
Candidato
:
Antonio Vicario
Relatori:
Dott. Ing. Roberto Gabbrielli
Dott. Ing.Francesco Del Medico
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Sommario ...4
Introduzione ...6
Elementi di un impianto di solar cooling ...8
1.1 La produzione del freddo ...8
1.2 Impianti di solar cooling e le sue componenti ... 10
1.2.1 La macchina ad assorbimento ... 11
1.2.2 La macchina ad adsorbimento ... 15
1.2.3 Sistemi per la conversione dell’energia solare ... 17
1.2.3.1 Collettori solari parabolici (CPL) ... 17
1.2.3.2 Sistemi a torre centrale ... 19
1.2.3.3 Collettori a disco parabolico ... 22
1.2.3.4 Impianti Fresnel ... 23
1.3 Le finalità dell’impianto ... 24
Parametri di ingresso allo studio: descrizione del sito... 26
2.1 Impianto di climatizzazione esistente ... 26
2.2 Sistema Fresnel ... 28
2.3 Macchina ad assorbimento ... 29
Scelta delle apparecchiature d’impianto ... 31
3.1 Dispositivi di sicurezza, protezione, controllo e regolazione ... 31
3.1.1 Vaso di espansione ... 33
3.1.2 Valvola di sicurezza ... 35
3.2 Gruppo trattamento acqua in ingresso ... 35
3.2.1 Incrostazioni ... 36
3.2.2 Corrosione ... 36
3.2.3 Scelta delle apparecchiature per il trattamento dell’acqua ... 39
3.3 Accumulatore ... 39
Circuito primario: dimensionamento di massima ... 41
4.1 Caratterizzazione macchina ad assorbimento e potenza frigorifera prodotta ... 41
4.2 Caratterizzazione utenza ... 47
4.3 Dimensionamento del serbatoio di accumulo ... 49
4.4 Dimensionamento diametro tubazione e taglia unità pompante... 52
4.5 Dimensionamento vaso di espansione e valvola di sicurezza ... 63
4.6 Dimensionamento coibentazione ... 70
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4.7.1 Filtro ... 79
4.7.2 Addolcitore ... 79
4.7.3 Condizionamento chimico ... 80
4.8 Dimensionamento pompa di riempimento ... 81
Circuito secondario: dimensionamento di massima e logica di integrazione ... 85
5.1 Dimensionamento diametro tubazione e taglia unità pompante... 86
5.2 Dimensionamento coibentazione ... 96
5.3 Dimensionamento collettori ... 105
Analisi dei costi ... 108
6.1 Costo dell’impianto ... 108
6.2 Normative di riferimento ... 110
6.3 Analisi della redditività dell’investimento ... 111
6.3.1 Analisi della redditività per l’impianto ... 112
Conclusioni ... 115
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Sommario
Il presente lavoro si pone come obiettivo lo studio tecnico ed economico di un impianto di solar cooling per il condizionamento estivo di uffici da affiancare ad un sistema di climatizzazione già esistente all’interno di un’azienda sita nella provincia di Lucca. L’impianto è costituito da: un circuito solare; una macchina ad assorbimento ad acqua e bromuro di litio; un circuito utilizzatore.
Il circuito solare,o primario, trasforma la radiazione solare in energia termica, riscaldando il fluido termovettore grazie un sistema a concentrazione di tipo Fresnel. La macchina ad assorbimento, che deve essere alimentata da acqua surriscaldata, trasforma l’energia termica proveniente dal sistema solare in frigorifera. La macchina ad assorbimento presa in esame è priva del bruciatore di backup essendo già presente, all’interno dell’azienda, un gruppo refrigeratore elettrico. Tramite il circuito utilizzatore l’acqua refrigerata è inviata ai ventilconvettori presenti nei vari uffici.
Nell’ambito della tesi si è proceduto nel caratterizzare e dimensionare ogni parte dell’impianto di solar cooling che, funzionando con acqua surriscaldata, rientra nell’ambito della direttiva PED. Inoltre è stata analizzata la logica di integrazione di tale impianto con quello già esistente.
Infine è stata eseguita un’analisi economica di massima al fine di valutare la redditività dell’impianto su una vita utile di 20 anni. Lo studio ha messo in luce le potenzialità dell’impianto di solar cooling basato sulla tecnologia a concentrazione Fresnel e sulla macchina ad assorbimento ad acqua e bromuro di litio. Inoltre l’analisi dell’utilizzo del frigorifero ad assorbimento come pompa di calore per il riscaldamento dei locali nei mesi invernali può considerarsi un interessante sviluppo futuro della presente attività.
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Summary
This work places as object the technical and economic study of a solar cooling system for the summer conditioning of offices to be put beside to a climatizzazion system already existing inside a company situated in the province of Lucca. The system is constituted from: a solar circuit; a car to water absorption and lithium bromide; a user circuit.
The solar, or primary circuit, turns the solar radiation into energy thermal, thank termovettore heating the fluid a Fresnel concentration system. The absorption, which must be fed by overheated water car, changes the thermal energy coming from the solar system in refrigerating. This taken absorption car is without the backup burner, an electrical refrigeratory group being already present, inside the company. Through the user circuit the refrigerated water is sent to the fan coils present in the various offices.
In the thesis context he has proceeded in characterize and dimension every part of the system of solar cooling which, working with overheated water, is included in the PED directive context. Furthermore the logic of integration of this system with the already existing one has been analysed. At last a general economic analysis in order to evaluate the system profitability on a 20 year useful life has been executed. The study has put in light the potentialities of the system of solar cooling based on the concentration Fresnel technology and on the car to water absorption and lithium bromide. Furthermore the analysis of the use of the absorption fridge how pumps of heat for the premise heating in the winter months an interesting future development of this activity can consider him.
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Introduzione
La richiesta di energia, a livello mondiale, negli ultimi decenni è cresciuta in maniera esponenziale superando, addirittura, ogni aspettativa. Ciò è conseguente ad un aumento del consumo dell’energia elettrica durante il periodo estivo che ha portato ad un picco di egual consumo della stessa sia durante l’estate che durante l’inverno.
Tale esigenza di far fronte a questa domanda ha spinto vari governi e importanti organizzazioni internazionali, come l’ International Energy Agency, a sostenere l’uso di tecnologie che sfruttino le fonti rinnovabili. E’ importante sottolineare che, ancora oggi, la maggior parte della richiesta mondiale di energia viene soddisfatta mediante l’uso di combustibili fossili che, come ben sappiamo, partecipano all’aumento della concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera rafforzando l’effetto serra. Tali problematiche concernenti l’impatto ambientale e la preoccupazione per la riduzione delle riserve di combustibile fossile sono alla base della spinta all’utilizzo di tecnologie che sfruttano fonti energetiche rinnovabili come quella solare. Tali energie vengono definite rinnovabili proprio perché si rigenerano durante lo stesso periodo di utilizzo ed è proprio per questo principio che si possono anche definire e considerare inesauribili. Derivando, in parte, dall’energia solare non immettono e incrementano anidride carbonica nell’atmosfera. In seguito a nuovi studi in campo impiantistico è possibile sfruttare l’energia solare termica sia per riscaldare gli ambienti durante il periodo invernale che per il raffrescamento estivo spostando il fabbisogno energetico da elettrico a termico con numerosi vantaggi. Difatti dopo l’analisi dei risultati ottenuti dai primi impianti che utilizzano energie rinnovabili si è evinta una riduzione dell’apice di richiesta in potenza elettrica durante il periodo estivo, la coincidenza tra carichi di climatizzazione e disponibilità di radiazione solare ed un miglioramento nello sfruttare l’energia prodotta dal solare termico su base annuale. La tecnologia che permettere tutto ciò ha il nome di solar cooling, “raffrescamento solare”. Essa si sta espandendo ed evolvendo fino ad essere diventata competitiva in vari settori come quello terziario, industriale e, negli ultimi tempi, residenziale.
Il presente lavoro si pone come obiettivo lo studio tecnico ed economico di un impianto di solar cooling per il condizionamento estivo di uffici da affiancare ad un sistema di
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climatizzazione già esistente all’interno di un’azienda sita nella provincia di Lucca. L’impianto è costituito da:
un circuito primario, circuito solare;
una macchina ad assorbimento ad acqua e bromuro di litio un circuito utilizzatore.
Nella prima parte di questa tesi vengono analizzati tutti gli elementi principali che compongono un impianto di solar cooling, esaminando i sistemi a concentrazione, la macchina ad assorbimento e i dati di ingresso allo studio.
Nella seconda parte, invece, si analizzano e dimensionano le apparecchiature necessarie al corretto funzionamento dell’impianto di solar cooling. Si analizza, inoltre, l’integrazione di tale impianto con il sistema di refrigerazione esistente all’interno dell’azienda.
Infine è stata posta l’attenzione anche alla sostenibilità economica dell’impianto con un’analisi dei costi di attuazione e di ammortamento dello stesso.
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Capitolo 1
Elementi di un impianto di solar cooling
1.1 La produzione del freddo
La creazione di freddo è solitamente richiesta da due principali applicazioni: il condizionamento dell’aria la e refrigerazione. Nei paesi sviluppati la refrigerazione dei prodotti alimentari ed il condizionamento incidono in modo sempre più rilevante nel fabbisogno energetico complessivo. L’esigenza di produrre freddo sarebbe ancora più sentita nei paesi in via di sviluppo, dato che l’elevato livello termico all’interno degli ambienti lavorativi è causa dei livelli minimi di rendimento nelle attività lavorative. Questo progetto pone l’attenzione sull’uso di impianti solar cooling utilizzati per la refrigerazione del condizionamento dell’aria.
La climatizzazione dell’aria ha come obiettivo quello di mutare un ambiente disagevole in un ambiente confortevole, coincidente con determinati intervalli di temperatura ambientale, umidità relativa e purezza dell’aria.
Ovviamente il tradizionale condizionamento degli ambienti comporta l’uso di un abbondante quantità di energia. In accordo con quanto affermato da R. Lazzarin [1], il condizionamento non si può considerare un sfarzo ma una vera e propria necessità, specialmente all’interno di ambienti lavorativi come industrie, attività commerciali e in varie tipologie di servizi, come ad esempio, all’interno di ospedali, centri riabilitativi, ecc. L’energia consumata per il riscaldamento ed il raffreddamento all’interno dei paesi facenti parte dell’Unione Europea durante il 2003 ha rappresentato il 25% dell’energia totalmente consumata. Sempre nello stesso anno solo il 7% di tale percentuale ha rappresentato l’energia richiesta per il rinfrescamento ma, già a quel tempo, in Italia l’apice di potenza elettrica richiesta durante il periodo estivo era aumentata fino ad eguagliare il picco di potenza elettrica del periodo invernale (figura 1.1).
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Figura 1.1 Evoluzione storica della potenza di picco invernale ed estiva in Italia durante l’anno 2003 [1]
Inoltre, ad oggi, risulta esserci una richiesta sempre maggiore per quanto concerne la climatizzazione estiva sia da parte di enti privati che industriali, in particolar modo nei Paesi del Sud Europa . Negli ultimi anni, però, tale richiesta è aumentata anche da parte dei paesi nordici non solo a causa del riscaldamento globale ma, potremmo proprio dire, soprattutto per l’incidenza degli utili interni in edifici sempre più isolati ed anche, specialmente nel settore terziario, per la predilezione all’uso di ampie pareti a vetrate che, oltre a migliorare le condizioni lavorative, contribuiscono al riscaldamento degli ambienti. Ecco perché, l’utilizzo dell’energia solare nell’ambito del raffrescamento, possa concorrere significativamente nel prevenire un sensibile aumento del consumo di energie convenzionali ed anche alla riduzione delle emissioni di .
Quest’ultimo punto è di particolare importanza dato che in merito vigono alcuni accordi internazionali come il “Protocollo di Kyoto”[2] o l'impegno UE, [3] di portare l'impiego delle energie rinnovabili al 20% e di ridurre del 20% le emissioni di gas a effetto serra entro il 2020. Inoltre l’uso dell’energia solare per il raffrescamento porterebbe grandi vantaggi anche da un punto di vista economico oltre che da quello energetico dato il continuo aumento del costo dell'energia convenzionale come il petrolio, dando il via alla ricerca di fonti di energie alternative.
La fattibilità tecnica di un azione che concerne l’uso di energia solare termica non può non considerare le peculiarità di detta sorgente che, com’è facilmente intuibile, viene ricollegata anzitutto al riscaldamento dell’acqua per usi domestici e sanitari ed anche come fonte di riscaldamento degli ambienti privati e lavorativi. L’irradiazione solare produce, però, il massimo valore durante la stagione estiva e, di conseguenza, potrebbe dare le massime prestazioni quando le richieste di utilizzazione sono minime (figura 1.2) [4]
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Figura 1.2 Andamento radiazione solare e richiesta di energia
Parimenti, i rendimenti dei pannelli solari termici, protendono a diminuire, anche sensibilmente, quando la differenza tra la temperatura media interna del pannello e quella esterna dell’aria aumenta e l’irraggiamento solare diminuisce, cioè in inverno. Sostanzialmente l’energia solare termica ha l’irradiazione maggiore quando apparentemente non vi è richiesta, mentre lo strumento per utilizzarla, ovvero il pannello solare, fornisce le peggiori prestazioni quando vi è la maggior richiesta.
La ricerca sull’uso dell’energia solare termica, naturalmente, non è nuova ma, durante i vari anni, si è cercato di trovare soluzioni tecnologiche in grado di eliminare le situazioni paradossali come quelli sottolineati precedentemente. Le tecnologie che oggi consentono la climatizzazione estiva degli edifici utilizzando al massimo l’energia solare termica sono conosciute con il nome di Solar Cooling.
1.2 Impianti di solar cooling e le sue componenti
Esistono due grandi famiglie di impianti solar cooling: gli impianti a ciclo chiuso e gli impianti a ciclo aperto.
I primi hanno come componente principale macchine ad adsorbimento solido o ad
assorbimento liquido, le quali, alimentate da energia termica, producono acqua refrigerata
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dell’aria ambiente mediante l’impiego di ruote essiccanti o sistemi ad essiccamento liquido, rigenerati mediante l’energia termica proveniente dai collettori solari.
In questo studio verranno considerati i soli impianti solar cooling a ciclo chiuso. Essi vengono realizzati, come già anticipato, con macchine frigorifere ad assorbimento e in misura minore con macchine frigorifere ad adsorbimento. Queste macchine possono produrre acqua refrigerata alla temperatura di circa 7 °C partendo da acqua calda proveniente dai collettori solari. L’acqua refrigerata, attraverso un sistema di tubazioni, viene distribuita ai terminali di raffrescamento (ad esempio ventilconvettori) dislocati nei locali da climatizzare. Il vantaggio dei sistemi a ciclo chiuso consiste nella possibilità di realizzare l’impianto con qualsiasi tipo di rete di distribuzione, sia ad aria che ad acqua. Viene in seguito rappresentato uno schema semplificato di un impianto solar cooling a ciclo chiuso con macchina ad assorbimento. L’obiettivo di questa rappresentazione è solamente quello di evidenziare i principali elementi presenti:
i collettori solari;
l’accumulo termico (caldo e/o freddo);
la macchina frigorifera (con eventuale torre evaporativa).
Figura 1.3 Schema semplificato di un impianto solar cooling a ciclo chiuso
1.2.1 La macchina ad assorbimento
I sistemi più diffusi per la produzione del freddo sono quelli funzionanti secondo un ciclo a
vapore nei quali il freddo viene prodotto grazie all’evaporazione di un fluido.
Esistono due grandi famiglie di cicli a vapore, i cicli a compressione, che necessitano di energia meccanica per la compressione, ed i cicli ad assorbimento. La maggioranza degli impianti solar cooling appartiene alla seconda famiglia quindi in seguito si riassumeranno brevemente le principali caratteristiche di questa tipologia.
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Gli impianti solar cooling con macchine ad assorbimento si differenziano in base al tipo di ciclo della macchina ad assorbimento utilizzata. Le macchine ad assorbimento attualmente in commercio sono:
macchine ad Acqua-Bromuro di Litio a singolo effetto. Queste macchine necessitano tipicamente di acqua calda a 80-100°C per il loro azionamento. Le prestazioni frigorifere (COP) di queste macchine sono pari a 0.7 rispetto al calore di alimentazione. Lo smaltimento del calore prodotto dal ciclo termodinamico avviene a temperature di 30-40 °C e pertanto per il loro funzionamento è indispensabile una torre evaporativa, che comporta ingombri e consumi aggiuntivi e potenziali pericoli per colture batteriche.
macchine ad Acqua-Bromuro di Litio a doppio effetto. Molto simili alle precedenti, di cui sono la versione ad alta efficienza, presentano COP frigoriferi molto elevati, pari a circa 1.3, necessitano di acqua surriscaldata o vapore a circa 180 °C, producibili soltanto con più costosi pannelli solari a medio - alta concentrazione. macchine ad Acqua-Ammoniaca. Da poco prese in considerazione per il Solar
Cooling, hanno un COP frigorifero 0.6 - 0.7 e richiedono temperature di funzionamento di circa 190 °C. I vantaggi aggiuntivi di queste macchine consistono nel poter funzionare senza bisogno di torri evaporative, e soprattutto nella reversibilità del funzionamento. La stessa macchina può funzionare anche per il riscaldamento invernale permettendo comunque un risparmio di combustibile pari a circa il 50% rispetto alle caldaie tradizionali ad alta efficienza, in assenza di sole.
Il frigorifero ad assorbimento, come accennato, è caratterizzato dal fatto che utilizza principalmente energia termica per produrre freddo. I principali componenti sono: generatore (1), condensatore (2), evaporatore (3), assorbitore (4), pompa (5) e scambiatore rigenerativo (6) (figura 1.4). Assorbitore e generatore costituiscono il cosiddetto compressore termico e sono i principali elementi che differenziano un frigorifero ad assorbimento rispetto al più classico frigorifero a compressione di vapore. Infatti questi componenti, insieme alla pompa, sostituiscono il compressore presente negli impianti più comuni. Il principale vantaggio di questa tecnologia, legato proprio alla sostituzione del compressore con i tre componenti indicati, è costituito dal fatto che l'energia elettrica richiesta si riduce moltissimo (più di due ordini di grandezza). L'apporto energetico del flusso di elettricità richiesto dal compressore è quasi interamente sostituito da un flusso di calore, che può essere fornito a temperatura
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relativamente bassa (90-180 °C). Un altro vantaggio è legato al fatto che l'unico organo in rotazione è una pompa, la quale è notevolmente più semplice e silenziosa di un compressore. Ne deriva anche una minore manutenzione richiesta. Gli svantaggi sono legati ad un maggiore costo di acquisto della macchina rispetto a un frigorifero a compressione di pari potenza e al fatto che la quantità di calore che si deve smaltire verso l'ambiente esterno è maggiore, sono quindi necessari sistemi per disperdere tale calore di dimensioni maggiori. Il ciclo di funzionamento della macchina si sviluppa su due livelli di pressione: il livello p1 al quale avviene l'evaporazione del fluido più volatile e il livello p2 al quale avviene la condensazione dello stesso fluido. Il livello di pressione p1 è inferiore al livello di pressione p2 e conseguentemente la temperatura a cui avviene la condensazione è maggiore di quanto non sia la temperatura di evaporazione. Tale caratteristica è comune agli impianti frigoriferi a compressione di vapore. L'aumento di pressione dal livello p1 al livello p2 avviene attraverso una pompa invece che un compressore, per il fatto che il fluido si trova nelle condizioni di liquido (nel frigorifero a compressione di vapore il fluido è invece vapore surriscaldato), che richiede, a parità di salto di pressione da realizzare, un apporto di energia meccanica (e quindi anche energia elettrica) notevolmente inferiore. Il principio su cui si basa questa macchina è costituito dal fatto che la separazione allo stato di vapore del fluido più volatile (rappresentata nello schema riportato in fig. 1.4 come una linea continua) della miscela è possibile attraverso la somministrazione di calore a temperatura relativamente bassa. Il risultato di questa operazione è costituito da due correnti di fluido: il fluido più volatile, allo stato di vapore, e una miscela povera allo stato di liquido. Per miscela povera si intende una miscela nella quale il componente più volatile è presente con una concentrazione inferiore (parte di esso è infatti evaporata). Tale operazione è effettuata nel componente chiamato generatore.
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Figura 1.4 Schema di funzionamento di una macchina frigorifera ad assorbimento
In modo opposto la ricombinazione (assorbimento) di questo componente e della miscela povera avviene mediante cessione di calore all'ambiente esterno. Tale operazione è fatta nell'assorbitore. Nel generatore, il calore necessario per la separazione del fluido più volatile è fornito tipicamente a una temperatura che varia da 85 °C a 180 °C. A seconda del valore di questa temperatura si ottengono efficienze differenti, tanto maggiori quanto più è alta la temperatura di fornitura del calore.
Il fluido più volatile percorre le fasi caratteristiche di un ciclo frigorifero. In particolare è prima condensato, poi trafila attraverso una valvola in modo da ridurre la pressione del fluido (e conseguentemente anche la sua temperatura) e quindi è fatto evaporare a temperatura bassa, regolata dalla pressione a cui si trova questo fluido (3-4 °C nel caso di impiego di acqua). L'evaporazione costituisce la fase utile del processo, in quanto il fluido assorbe calore dall'esterno durante la trasformazione asportandolo dall'ambiente da refrigerare. Successivamente il vapore è riassorbito nella miscela, cosa che avviene nel componente chiamato assorbitore. La miscela è infine pompata nel generatore chiudendo il ciclo termodinamico. In aggiunta, uno scambiatore di calore è posto al fine di migliorare l'efficienza del ciclo, recuperando parte del calore reso disponibile dalla miscela povera uscente dal generatore e cedendolo alla miscela ricca entrante nello stesso generatore.
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1.2.2 La macchina ad adsorbimento
Il frigorifero ad adsorbimento utilizza acqua come fluido di processo, il che costituisce uno dei vantaggi di tale processo. Il principio dell'adsorbimento consiste nell'impiego di un materiale igroscopico allo stato solido il quale è in grado di trattenere vapore d'acqua e di rilasciarlo quando venga fornito calore. Il calore richiesto per il rilascio dell'acqua può essere fornito a temperatura relativamente bassa, fino a circa 50°C. Questo rende la tecnologia adatta anche per applicazioni particolari quali il raffrescamento mediante energia solare.
L'evaporatore è ricavato in una zona a bassa pressione (dell'ordine di 0,01 bar), alla quale corrisponde una temperatura di evaporazione ridotta (dell'ordine di 12 °C). In questo modo, l'ambiente che si intende refrigerare, trovandosi a temperatura superiore (normalmente come condizione di progetto si assume 26°C in estate), può fornire il calore necessario per l'evaporazione del fluido frigorigeno. Al contrario il condensatore è ricavato in una zona a pressione superiore. E' richiesto infatti che la temperatura di condensazione del fluido sia superiore alla temperatura dell'ambiente esterno (in estate fino a 35-40 °C), in modo che il fluido possa cedere calore. Nelle condizioni specificate una pressione di 0,1 bar è sufficiente per fare avvenire la condensazione.
Evaporatore e condensatore sono separati da due camere (indicate con A e B nello schema di Fig.1.5), che svolgono le trasformazioni termodinamiche che sostituiscono la compressione meccanica presente nelle macchine a compressione di vapore. Nelle due camere è presente il materiale igroscopico (un gel a base di silice). Le due camere sono alternativamente poste in contatto una con l'evaporatore e una con il condensatore. Contemporaneamente, alla camera in contatto con il condensatore è fornito calore, mentre dalla seconda è asportato calore.
Un sistema di valvole automatiche mosse alternativamente consente di mantenere tra il condensatore e l'evaporatore la necessaria differenza di pressione, nonché di effettuare la commutazione di funzionamento delle due camere. Il funzionamento avviene in quattro fasi secondo la sequenza di seguito riportata; è pertanto discontinuo come accade per i motori a combustione interna.
Fase 1. Il vapore d'acqua liberato dall'evaporatore (trasformazione durante la quale si produce l'effetto utile) passa all'interno della camera con la quale è posto in contatto (qui indicata come camera A). In questa camera il fluido è adsorbito nel mezzo igroscopico.
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Fase 2. La camera A e la camera B sono commutate. Questo avviene azionando il sistema di valvole che chiudono il collegamento tra la camera A e l'evaporatore e aprono il collegamento con il condensatore. La pressione della camera A è incrementata, mediante una pompa, fino al valore necessario per il passaggio del fluido nel condensatore. L'impiego della pompa, reso possibile dal fatto che il fluido di processo è adsorbito in un mezzo allo stato di gel, consente di ottenere l'incremento di pressione con un apporto di energia elettrica notevolmente inferiore rispetto a quello che avrebbe reso necessario l'impiego di un compressore di vapore.
Fase 3. Alla camera A è fornito calore a temperatura relativamente bassa (50-95 °C), attraverso il quale si libera il fluido adsorbito (desorbimento) allo stato di vapore. Il fluido passa nel condensatore, nel quale è riportato allo stato di liquido.
Fase 4. Il liquido condensato è fatto fluire nell'evaporatore, passando attraverso una valvola di laminazione, dove avviene l'evaporazione. Nuovamente avviene la commutazione delle valvole, pertanto la camera A è posta in contatto con l'evaporatore. Le operazioni si ripetono in modo sfasato nella camera B; questo significa che mentre nella camera A è in corso la fase 1, nella camera B è in corso la fase 3. Applicazioni di questa tecnologia sono state effettuate soprattutto in Germania e negli Stati Uniti d'America, in combinazione con reti di teleriscaldamento e utilizzando calore reso disponibile da processi produttivi industriali.
Figura. 1. 5 Schema di funzionamento di una macchina frigorifera ad adsorbimento.
A
B
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1.2.3 Sistemi per la conversione dell’energia solare
Il solare a concentrazione, o solare termodinamico, è una tecnologia che utilizza la radiazione diretta del sole, per innalzare la temperatura di un opportuno fluido termovettore; trova principale applicazione nella produzione di elettricità e nella realizzazione di processi chimici a elevata temperatura.
Indipendentemente dalla tipologia d’impianto, gli elementi che caratterizzano i sistemi a concentrazione (CSP, concentrated solar power), sono:
i riflettori o concentratori, generalmente in vetro speciale, che concentrano la radiazione incidente, su un ricevitore;
il ricevitore, l’elemento del sistema dove è assorbita la radiazione e convertita in energia utile;
l’inseguitore solare, ovvero l’insieme dei dispositivi che permettono di captare la radiazione solare diretta.
In base alla configurazione assunta dagli elementi sopra elencati, s’individuano diverse tipologie di sistemi solari termodinamici.
Il principale parametro che caratterizza questi impianti è il rapporto di concentrazione C definito come l’area totale degli elementi riflettori e l’area del ricevitore.
Di seguito si riporta una descrizione delle tecnologie solari a concentrazione.
1.2.3.1 Collettori solari parabolici (CPL)
La tecnologia a concentrazione parabolica è, tra tutti i sistemi solari termici, quello che ha raggiunto il più alto livello di maturità commerciale.
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Questi impianti utilizzano concentratori parabolici lineari che seguono il sole, rotanti su un unico asse, e che concentrano la radiazione su un tubo ricevitore che corre lungo la linea focale, trasferendo quindi calore ad un fluido termico che scorre all'interno del ricevitore. Questo fluido, può essere utilizzato, come potenza termica in un generatore di vapore come negli impianti tradizionali, o anche per alimentare macchine ad assorbimento per il condizionamento degli ambienti.
Il concentratore consiste di:
Una struttura in acciaio che mantiene la corretta posizione degli specchi anche sotto vento o altri carichi atmosferici.
Una superficie riflettente, che è uno specchio di vetro comune con adeguata curvatura e basso contenuto di ferro per migliorarne la trasmittanza = dove I0 e
I1 sono rispettivamente l'irradianza luminosa incidente ed emergente dal campione
attraversato.
I collettori parabolici di solito hanno un'apertura di circa 6 m, un rapporto di concentrazione compreso tra 61 e 80, ed una lunghezza di 100-150 m, con l'obiettivo di ridurre il costo del meccanismo di monitoraggio e le perdite alla fine del collettore.
Il tubo di assorbimento è un elemento chiave negli impianti con collettori parabolici. Per temperature inferiori a 300 ° C, l'assorbitore può essere fatto di acciaio inossidabile rivestito di cobalto o cromo, invece, per i livelli di temperatura raggiunti attualmente, sono preferibili tubi a vuoto. Questi assorbitori sono costituiti da un tubo interno in acciaio inossidabile con un rivestimento selettivo adeguato ed un tubo esterno in vetro, separati da una corona circolare di vuoto (circa 0.013 Pa).
Il rivestimento selettivo ha una elevata capacità di assorbimento (> 90%) per la lunghezza d'onda corta tipica della radiazione solare e una bassa emissività (< 30%) nello spettro infrarosso che è la banda tipica in cui l'assorbitore riemette in atmosfera.
Per quanto riguarda il fluido che scorre all'interno del tubo, negli impianti parabolici possono essere utilizzati diversi fluidi di lavoro:
Oli sintetici e minerali Acqua e liquidi ionici Aria o altri gas
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Se le temperature desiderate sono moderate (< 200 ° C), l’ acqua demineralizzata potrebbe essere la scelta migliore ma, al giorno d'oggi, il fluido di lavoro principale è olio sintetico che raggiunge i 390 °C e grazie alla sua bassa tensione di vapore permette di lavorare ad una modesta pressione e quindi di impiegare materiali economici. Attualmente in fase di sviluppo è l'utilizzo di miscele di sali fusi (NaNO3 - KNO3) che possono raggiungere
temperature di circa 550 °C, migliorando l'efficienza del ciclo, ma che mostra alcuni problemi tecnologici:
temperatura di solidificazione alta (142 °C ÷ 238 °C, a seconda della composizione sale). Per questo motivo, la miscela deve essere mantenuta fluida durante lo start-up preriscaldando i tubi e durante la notte da un sistema che rende continui i flussi di fluido.
alta corrosività che rende necessario l'impiego di tubi e componenti più costosi.
1.2.3.2 Sistemi a torre centrale
Negli impianti a torre centrale vengono utilizzati specchi, chiamati eliostati, che seguono il sole con un movimento di rotazione intorno a due assi, concentrando la luce del sole su di un ricevitore che viene normalmente collocato alla sommità di una torre. Nel ricevitore, la radiazione solare concentrata viene convertita in energia termica mediante un fluido termovettore.
La radiazione solare proveniente dalle tre dimensioni spaziali viene concentrata in un unico punto (teoricamente) e per questa ragione si possono raggiungere elevati rapporti di concentrazione e alte temperature di lavoro (si prospettano 1000 °C in futuro). [5] Il vantaggio rispetto alla concezione del parabolico lineare o del collettore Fresnel consiste proprio in questo: la luce del sole sul ricevitore centrale è focalizzata su un'area più piccola, e non c’è un fluido termovettore da convogliare intorno al grande campo solare. Questo significa avere temperature più elevate del fluido di lavoro e migliori parametri del vapore (anche surriscaldato).
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Questi impianti sono caratterizzati da una grande flessibilità quando si tratta di costruzione, perché gli eliostati non devono essere situati necessariamente su una superficie piana. I principali componenti di un impianto a torre sono:
Il campo di eliostati La torre
Il ricevitore
Il gruppo di potenza
Figura 1.7 Principio di funzionamento del sistema a torre centrale
Figura 1.8 La torre PS10, il primo impianto solare commerciale di Sanlùcar la Mayor
Il campo di eliostati è il componente più caratteristico di questo tipo di impianti e costituisce circa il 50% del costo totale.
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Figura 1.9 Le torri PS10 e PS20 di Sanlùcar la Mayor campo di eliostati di tipo Nord
Gli impianti a torre sono destinati alla produzione di energia elettrica in taglie di potenza dell’ordine delle decine di MWe (un esempio è l’impianto PS20 da 11 MWe costruito in Spagna).
Per la produzione di energia elettrica sono utilizzati cicli Rankine, ma anche cicli Bryton con turbina a gas.
La torre, realizzata in metallo o cemento, ha la funzione di sostenere il ricevitore che deve essere posizionato ad una certa altezza dal campo di eliostati, al fine di ridurre le ombre e le perdite.
Il ricevitore, invece, è il dispositivo in cui la radiazione solare concentrata viene convertita in energia termica.
Le principali perdite energetiche che si verificano in una centrale solare a torre sono:
Perdite di raccolta. Si distinguono due tipologie di perdite di raccolta: perdite geometriche e perdite ottiche.
a) Le perdite geometriche sono una funzione della geometria del campo solare (posizione relativa degli elementi di impianto rispetto al Sole): fattore coseno (riduzione della superficie visibile a causa dell'inclinazione dell’ eliostato rispetto alla direzione di raggio di sole, perdite ombra, perdite intasamento.
b) Le perdite ottiche sono invece perdite di riflettività.
Perdite della trasmissione della radiazione solare attraverso l'atmosfera a causa di assorbimento e di dispersione.
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Perdite nel trasporto di energia concentrata dai collettori al ricevitore.
Perdite nella conversione fototermica a loro volta distinguibili in: perdite radiative, perdite convettive e perdite di conduzione.
1.2.3.3 Collettori a disco parabolico
I piatti parabolici sono degli specchi a forma di parabola che riflettono e concentrano la radiazione solare in un punto ricevitore, posto nel fuoco del piatto. La radiazione solare è assorbita nel ricevitore e può riscaldare un fluido oppure un gas che raggiunge temperature dell’ordine di 750°C. Il fluido è poi utilizzato solitamente per generare energia elettrica in un motore Stirling, oppure in una turbina. I piatti inseguono il sole lungo una sola direzione, prevalentemente nord-sud ma ne esistono anche a due assi d’inseguimento. Un esempio di piatto parabolico è quello sperimentato al Sandia National Laboratory ad Albuquerque, USA, che possiede una struttura di supporto rotante, ha un diametro di circa 38 piedi (approssimativamente 11,8 m) ed è composto da 82 piatti curvi, ciascuno di 3x4 piedi (circa 90x120 cm). I vantaggi di questa tecnologia sono: l’elevato rendimento di conversione sole-elettricità (si arriva fino al 31.25%, il più elevato tra i sistemi solari), la possibilità di usare un accumulo termico, e infine la modularità, ovvero, la possibilità di aumentare la taglia dell’impianto anche dopo la costruzione. Tuttavia lo svantaggio più rilevante di questa tecnologia è il costo elevato del kWh prodotto, attualmente il più elevato tra i sistemi a concentrazione.
23 1.2.3.4 Impianti Fresnel
Un collettore lineare Fresnel è un tipo di sistema di energia solare a concentrazione che, invece di utilizzare riflettori parabolici, impiega specchi piani, i quali ruotando intorno al proprio asse longitudinale simulano una superficie continua per raccogliere e concentrare l'energia solare, riducendo in questo modo problemi e costi di costruzione.
Il sistema è composto da:
Lunghe file parallele di specchi che possono ruotare attorno al loro asse longitudinale e concentrare radiazione solare su un ricevitore lineare che è sospeso ad una certa altezza dal piano di riflessione. Una geometria di questo tipo consente di disporre due o più ricevitori in parallelo allo scopo di avere un unico ricevitore condiviso da una serie di specchi in modo da ottimizzare l'uso del suolo e minimizzare gli specchi.
Il tubo assorbente è, in sostanza, lo stesso utilizzato nei sistemi parabolici, anche se funziona a temperatura più bassa a causa del basso rapporto di concentrazione ottenibile (circa 20).
Figura 1.10 Principio di funzionamento della tecnologia solare a concentrazione Fresnel
Il buon sfruttamento dei terreni, la leggerezza, la semplicità di costruzione e il basso costo sta promuovendo un rapido sviluppo di questa tecnologia, anche se la bassa capacità di concentrazione e quindi le basse temperature di lavoro ne limitano l'efficienza.
Diversi impianti di questo tipo sono attualmente in funzione nel mondo per la produzione di energia elettrica, uno di questi in funzione, dal marzo 2009, è l'impianto di Fresnel
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1,4 MW PE1 di NovatecBiosol, che si trova a Calasparra nella regione della Murcia nel sud della Spagna.
Questo impianto è caratterizzato da due file di ricevitori, ciascuno di una lunghezza di 860 m. Ogni ricevitore utilizza 16 linee parallele di specchi, che coprono una superficie totale di 18.662 m2. Il tubo assorbitore è posizionato nella linea focale a 7.4 m dal suolo dove l'acqua evapora direttamente in vapore saturo a 270 °C ad una pressione di 55 bar.
Figura 1.11 Impianto Fresnel 1,4 MW PE1 di NovatecBiosol, Calasparra, Spagna
1.3 Le finalità dell’impianto
L’impianto studiato è un impianto di solar cooling (freddo solare) destinato al condizionamento estivo di uffici per un’azienda sita in provincia di Lucca.
Tale impianto dovrà sostenere un impianto di condizionamento esistente lavorando in parallelo con esso.
In particolare l’impianto dovrà ridurre i consumi di energia elettrica e quindi i costi di esercizio, legati alla produzione di acqua refrigerata, provenienti dal gruppo refrigeratore esistente. Uno schema indicativo è mostrato nella figura di 1.12.
Tale impianto è costituito da: un campo solare a concentrazione di tipo Fresnel; una macchina ad assorbimento ad acqua e bromuro di litio; un impianto utilizzatore.
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Capitolo 2
Parametri di ingresso allo studio: descrizione
del sito
Delicarta S.p.a. è un’ azienda, nata a Capannori, Lucca, certificata ISO 9001, facente parte del gruppo “ Sofidel “, società privata a capitale italiano, che da oltre 30 anni produce carta per uso igienico e domestico.
Il Gruppo Sofidel realizza, al proprio interno, un ciclo integrato che va dalla produzione di bobine di carta tissue, (la carta destinata ai prodotti per la cucina, il bagno e l’igiene personale) alla relativa trasformazione in prodotti finiti.
La progettazione dell’impianto di solar cooling, da integrare all’impianto di condizionamento esistente, è destinata a “ servire “ gli uffici tecnici dell’ azienda, situati nella stessa area geografica, e occupante un volume lordo di 2424 . Lo stabile, è un edificio risalente agli anni 80, al quale si può attribuire una classe energetica D.
2.1 Impianto di climatizzazione esistente
L’impianto di climatizzazione esistente è un impianto centralizzato adatto al solo controllo della temperatura interna. Nello specifico, è un impianto centralizzato ad acqua a ventilconvettori a due tubi, uso invernale ed estivo.
In questa tipologia di impianti, i ventilconvettori sono costituiti da una sola batteria, alettata per lo scambio termico, alimentata da acqua calda in inverno e da acqua fredda in estate, da un ventilatore a velocità variabile, controllato da un termostato di zona e da un sistema di raccolta ed eliminazione della condensa (funzionamento estivo).
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Figura 2.1 Ventilconvettori
Nel funzionamento estivo, la produzione di acqua fredda è affidata ad un gruppo refrigeratore “ aria – acqua ” ad alta efficienza, di potenza frigorifera nominale di 98 kW (AERMEC, fig. 2.2), i cui limiti di batteria sono acqua a 7 ÷ 12 °C, con una portata di 16860 l/h e un coefficiente di prestazione di 3.17
Figura 2.2 Gruppo refrigeratore AERMEC
L’acqua refrigerata viene inviata ad un accumulatore a semplice serpentina da 300 l opportunamente coibentato, qui questa scambia energia con l’acqua di circuito responsabile di effettuare il servizio. Quest’ultima, attraverso una rete di tubazione e servita da elettropompe ( pompa WILO, portata 13300l/h, prevalenza 4 m c.a. ), viene inviata ai ventilconvettori presenti nei vari uffici. Tutto il sistema è gestito da un regolatore universale LCD che estrapola dati, sia sulla temperatura dell’acqua all’interno dell’accumulatore e conseguentemente gestisce l’azionamento del gruppo frigorifero qualora questa salisse al di sopra di un valore limite preimpostato, sia sulla temperatura interna e esterna dell’edificio.
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Per il riscaldamento invernale la produzione di acqua calda, che viene fatta circolare nella rete di tubazione per arrivare alla batteria dei ventilconvettori, è affidata ad un generatore di calore a basamento, completo di bruciatore di gasolio ad aria soffiata, di potenzialità al focolare 110 kW, potenza termica utile di 99 kW. L’impianto sia estivo che invernale, è provvisto di tutti i dispositivi di sicurezza, protezione, controllo e regolazione necessari al corretto funzionamento.
2.2 Sistema Fresnel
I dati di input necessari per lo studio di tale impianto derivano da una attività di modellazione numerica convertendo la radiazione solare in energia termica, al fluido termovettore, attraverso il rendimento termo-ottico di un sistema a concentrazione di tipo Fresnel.
Come già descritto nel primo capitolo, il collettore lineare Fresnel è un sistema di energia solare a concentrazione che, invece di utilizzare riflettori parabolici, impiega specchi piani, i quali ruotando con angoli ± 45° intorno al proprio asse longitudinale seguono il moto apparente del sole simulando così una superficie continua e concentrando l'energia solare su di un tubo assorbitore lineare, di geometria nota ( L =8740 mm, DN = 65 mm, t = 3mm), posto ad una certa altezza dal piano riflettente.
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Ciascuna fila di specchi, è movimentata da un motore elettrico, sul quale si può intervenire qualora si dovesse defocalizzare la radiazione solare rispetto al tubo assorbitore.
I valori orari della potenza termica captata dall’impianto di concentrazione e inviata al fluido termovettore, per tutto il periodo di interesse “ maggio – settembre, sono raccolti nel file “Potenza termica “ mostarto in figura 2.4[6]
Figura 2.4 Serie oraria della potenza termica captata dal fluido termovettore
2.3 Macchina ad assorbimento
La macchina ad assorbimento presa in esame, di fabbricazione giapponese, impiega quale fluido di lavoro acqua – bromuro di litio. E' costituita dai quattro elementi basilari:
generatore, evaporatore, condensatore assorbitore,
evidenziati nella figura 2.5. La macchina sviluppa una potenza frigorifera nominale pari a 70 kW, sfruttando una portata di 3,4 /h d’acqua surriscaldata alla temperatura di 180 °C restituendola a 165 °C.
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Figura 2.5 Elementi macchina ad assorbimento
L’acqua refrigerata in condizioni nominali è prodotta a 7°C con una portata pari a 12 /h. il COP (coefficiente di prestazione) è pari a 1,3[7]. Il frigorifero ad assorbimento considerato è privo del bruciatore di backup (di riserva), in quanto già presente all’interno dell’azienda un gruppo refrigeratore.
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Capitolo 3
Scelta delle apparecchiature d’impianto
In questo capitolo sono prese in considerazione le apparecchiature indispensabili per il funzionamento dell’impianto e sufficienti a soddisfare le normative vigenti in materia di sicurezza (direttiva 97/23/CE, direttiva PED [8]). Per ognuna di essere viene spiegato il funzionamento, ponendo particolare attenzione alla loro funzione e alla loro importanza all’interno del circuito
3.1 Dispositivi di sicurezza, protezione, controllo e regolazione
Il fluido vettore termico che alimenta la macchina ad assorbimento è acqua surriscaldata a 180 °C. La pressione di saturazione ,ps, a tale temperatura è 1,0021 MPa (fig. 1.3).Per evitare formazione di vapore che può dare luogo a soprapressioni, a colpi d’ariete distruttivi o a fenomeni localizzati di cavitazione, che anche se non rilevabili immediatamente provocano rapide erosioni, deve essere verificata in ogni punto della rete di distribuzione, una pressione superiore alla pressione di equilibrio corrispondente alla temperatura dell’acqua nel punto considerato.
Si lavora dunque, ad una pressione di 1,5 MPa (a cui corrisponde una temperatura di saturazione di 198,32 °C) e una temperatura di 180 °C.
Il circuito solare è, dunque, un circuito in pressione, ( pressione ammissibile PS = 19 bar-r e una temperatura ammissibile TS = 190 °C) questo fa riferimento alla direttiva 97/23/CE [8], quindi deve essere conforme ai requisiti essenziali di sicurezza della direttiva PED. La progettazione dell’impianto deve essere effettuata tenendo conto di tutti i fattori pertinenti che consentono di garantire la sicurezza per tutta la durata di vita prevedibile. La progettazione, in funzione degli obiettivi realmente ed economicamente perseguibile deve mirare pertanto a:
eliminare il rischio; ridurre il rischio;
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Analizziamo il diagramma delle fasi dell’acqua nel piano pressione – temperatura (fig 3.2). Situazioni di pericolo che si possono generare, partendo dal nostro punto di lavoro, p = 1,5 MPa; T = 180 °C sono dettate da:
incremento/riduzione di pressione a temperatura costante;
incremento di temperatura a pressione costante: raggiunta la temperatura di saturazione a quella pressione ( Ts = 198,32 °C), si inizia a vaporizzare parte dell’acqua, la presenza del vapore, determina un incremento di pressione che andrebbe a sovrasollecitare tutto il sistema. (una diminuzione di temperatura a pressione costante, non produce una situazione di pericolo, ma al massimo un inefficienza del sistema in termini di potenza frigorifera prodotta);
I dispositivi di protezione e sicurezza devono soddisfare requisiti fondamentali [8] di cui qui si riportano quelli basilari:
a. essere in grado di sopportare la normale condizioni di funzionamento termiche e meccaniche;
b. essere realizzati in modo che il loro corretto funzionamento sia garantito anche dopo il montaggio sull’impianto, purché effettuato a regola d’arte e secondo le istruzioni del costruttore;
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Figura 3.2 Diagramma p-t acqua
Di seguito vengono analizzati i principali dispositivi di sicurezza.
3.1.1 Vaso di espansione
Il vaso di espansione è inteso come dispositivo di protezione. Esso è concepito per mantenere costante la pressione del sistema e per assorbire la variazione del volume d’acqua contenuta nell’impianto, dovuta alle variazioni di temperatura del fluido.
Il vaso di espansione non e altro che un serbatoio collegato al circuito, riempito in parte dal fluido vettore termico e per il resto da un gas che serve a mantenere la pressione desiderata. Il sistema può essere aperto o chiuso. Nel primo caso si ha un serbatoio aperto, che manterrà quindi l’intero circuito ad anello del fluido vettore termico ad una pressione pari a quella atmosferica. I vasi aperti possono essere utilizzati solamente nel caso che il fluido sia acqua calda. Il vaso può essere anche costituito da un serbatoio chiuso mantenuto in pressione grazie all’insufflazione di aria o di azoto. Per evitare il contatto del fluido vettore termico con tale gas può essere utilizzato un diaframma.
Nell'impianto che stiamo progettando, dato che si deve lavorare ad una pressione superiore a quella atmosferica, si deve pensare ad un vaso di espansione chiuso. Si deve inoltre prestare attenzione alla presenza dell’ossigeno nel gas insufflato nel vaso, che infatti si discioglierebbe in acqua e quindi entrerebbe in contatto con le tubazioni di tutto l’impianto, creando effetti di corrosione .Per ovviare a questo problema si possono utilizzare diverse soluzioni.
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Può essere utilizzato un vaso di espansione con diaframma per separare il gas dall’acqua. Questo sistema però garantisce una ridotta capacita di contenere le variazioni di volume ed è inoltre piuttosto complesso e richiede molti interventi di manutenzione. Se si avesse infatti una variazione troppo elevata di volume all'interno del vaso si rischierebbe la rottura del diaframma.
Si è deciso in questo impianto, per mantenere la pressione del sistema costante, per assorbire la variazione del volume d’acqua contenuta nell’impianto e ridurre i problemi legati alla corrosione, di utilizzare un vaso senza diaframma pressurizzato con azoto (figura 3.3). L’immissione dell’azoto, contenuto in una bombola esterna, è gestita da un opportuno regolatore di pressione. Al variare della temperatura, infatti il volume del liquido varia, quindi varierà anche la pressione all’interno del vaso.
Figura 3.3 Vaso di espansione pressurizzato con azoto
Quando la temperatura diminuisce, viene insufflato azoto, in modo da mantenere costante la pressione, mentre quando aumenta, l’azoto viene fatto uscire attraverso opportuna elettrovalvola.
Il vaso di espansione e di fondamentale importanza all’interno dell’impianto. E’ quella parte dell’impianto che permette la regolazione della pressione, quindi se ci fossero problemi in questa fase si ripercuoterebbero su tutto l’impianto. Se la pressione dovesse diminuire eccessivamente si avrebbe formazione di vapore nell’anello, con conseguente malfunzionamento di tutte le apparecchiature, che sono progettate per lavorare con acqua allo stato liquido. Ancor più pericoloso è il caso opposto. In caso di sovrapressione, infatti, si rischia la rottura degli apparecchi e delle tubazioni dell’impianto, che sono progettati per sopportare solo determinate pressioni, che potrebbero causare incidenti e gravi danni. Per
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scongiurare questi problemi si deve disporre di adeguati controlli in questa fase dell’impianto e dotare tutte le apparecchiature di sistemi di sicurezza adeguati, come allarmi di bassa e alta pressione, sfiati e dischi di rottura.
3.1.2 Valvola di sicurezza
La valvola di sicurezza è una valvola che automaticamente, senza l’assistenza di un’energia diversa da quella del fluido in questione, scarica una quantità di fluido al fine di prevenire il superamento di una pressione di sicurezza predeterminata e che è progettata per richiudersi e impedire un ulteriore flusso di fluido dopo che sono state ripristinate le condizioni di esercizio a pressione normale. Essa dovrà essere idonea al fluido utilizzato. Inoltre la valvola di sicurezza deve essere montata sul vaso di espansione dato che esso è assoggettato, tramite mezzo esterno che assicura la pressione (bombola di azoto) ad un valore di pressione superiore a quello di progetto del vaso stesso. La portata di gas da considerare per dimensionamento della valvola di sicurezza è quella massima adducibile al vaso dal predetto mezzo in caso di anomalie di esercizio.
3.2 Gruppo trattamento acqua in ingresso
L’acqua, è il fluido più utilizzato, assieme all’aria, per le sue caratteristiche chimico – fisiche ottimali. Essa ha il maggior calore specifico a pressione costante, un’elevata massa volumica, è inodore, insapore, chimicamente non aggressiva, economica e facilmente reperibile.
L’acqua che viene utilizzata a scopi industriali contiene una serie di sostanze e di microrganismi. Gran parte di queste sostanze, considerate impurezze, possono provocare dei danni, quali incrostazioni e corrosioni.
Vanno dunque eliminate o drasticamente ridotte in quanto si traducono in: riduzione dell’efficienza e della vita utile dell’impianto
aumento dei costi di gestione minore sicurezza operativa
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3.2.1 Incrostazioni
Le incrostazioni calcaree sono derivanti, principalmente, dalla precipitazione, a seguito di incrementi di temperatura dell’acqua, di bicarbonati di calcio e megnesio (solubili in acqua) nei carbonati di calcio e magnesio (insolubili in acqua). Queste possono depositarsi all’interno delle apparecchiature o attaccarsi nelle pareti interne dell’impianto.
Le reazioni chimiche che governano questo processo sono :
( ) ↔ + +
( ) ↔ ( ) + 2
Queste reazioni sono legate alla solubilità dell’anidrite carbonica, la quale governa gli equilibri di trasformazione da bicarbonati a carbonati. Per effetto dell’aumento di temperatura, l’anidrite carbonica diviene praticamente insolubile in acqua e di conseguenza l’equilibrio delle due reazioni è completamente spostato a destra, dando luogo a incrostazioni.
Le incrostazioni sono assolutamente da evitare, in quanto:
1. fungono da isolante, impedendo un corretto scambio termico.
2. le particelle solide sospese, danneggiano i componenti del circuito, come ad esempio le pompe di circolazione, con la conseguenza che si verificano perdite che causano ricambio d’acqua e quindi apporto di durezza e ingressi d’aria che causano corrosioni.
Il rimedio migliore per ridurre le incrostazioni è eliminare dall’acqua, di riempimento e di reintegro, le sostanze che danno questo tipo di problema. Prima di progettare un impianto solare – termico di qualsiasi genere si dovrà provvedere ad analizzare l’acqua che si ha a disposizione, in modo da inserire nel processo quei trattamenti utili ad eliminare le sostanze sopra elencate.
3.2.2 Corrosione
La corrosione è un fenomeno complesso, non sempre facilmente interpretabile. La corrosione lavora con molti meccanismi diversi e assai complessi, inoltre le sostanze che la favoriscono sono molteplici. La corrosione riduce la resistenza meccanica delle
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apparecchiature, in quanto questo fenomeno porta alla dissoluzione in acqua degli atomi di cui sono costituite le apparecchiature, e può portare addirittura alla formazione di cricche, che non permettono di garantire la tenuta idraulica dell’impianto. Come visto per le incrostazioni e necessario conoscere i principali meccanismi di formazione della corrosione per poterla combattere. La corrosione che si ha in presenza di acqua viene definita corrosione umida. Il fenomeno viene spiegato dall’elettrochimica. L’acqua, infatti, funge da mezzo scambiatore di ioni tra punti a diverso potenziale elettrico. La differenza di potenziale elettrico tra due punti di una struttura metallica può avvenire per vari motivi, tra cui:
la presenza di due metalli diversi tra loro connessi (effetto pila); correnti vaganti di origine esterna che l'attraversino;
piccole disuniformità e impurezze in seno allo stesso metallo;
differenze di temperatura e tensioni interne che alterino l'equilibrio superficiale del metallo;
concentrazioni differenziali di sali e gas in seno all'acqua.
Reazioni chimiche interne possono allontanare il raggiungimento dell’equilibrio e fare procedere la corrosione in modo continuo, con la conseguente formazioni di cricche nel metallo. La causa principale di corrosione negli impianti solari termici, è data dalla presenza di ossigeno. Si formano, infatti, due poli a diverso potenziale, uno sul metallo e uno nell’acqua che contiene ossigeno e avvengono le seguenti reazioni:
→ + 2 (3.1)
+ + 4 → 4 (3.2)
La reazione globale sarà dunque:
2 + + + 4 → 2 + 4 + 4 → 2 ( ) (3.3)
Questa reazione [10] provoca dunque l’asportazione di atomi di ferro dalle apparecchiature, e il suo passaggio in fase acquosa. La reazione produce inoltre idrossido ferroso. La reazione continua finche non si raggiunge la saturazione dell’idrossido ferroso. Se però l’acqua contiene molto ossigeno si sviluppa anche la seguente reazione:
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4 ( ) + + 2 → 4 ( ) (3.4)
Questa reazione consuma l’idrossido ferroso della prima reazione, la quale continua quindi a procedere e a corrodere il materiale.
Per bloccare la corrosione dovuta all’ossigeno si possono seguire due vie. La prima consiste nell’aumentare il pH. La solubilità dell’idrossido ferroso infatti diminuisce all’aumentare del pH, quindi la (3.3) viene inibita. Questo metodo è poco usato, perchè è necessario l’utilizzo di sostanze chimiche che possono provocare altre forme di corrosione. Il metodo più efficace è quello di combattere all’origine questo fenomeno, eliminando l’ossigeno dall’acqua. La ridotta quantità di ossigeno residuo che non si riesce ad eliminare fa procedere la (3.3), ma la (3.4) non avviene e quindi il fenomeno corrosivo si blocca non appena si raggiunge la saturazione dell’idrossido ferroso. Se la quantità di ossigeno è molto bassa non avviene neanche la (3.3), ma ne avviene un’altra, che porta alla formazione di . Questa sostanza rimane sulla superficie del metallo creando una pellicola che protegge dalle corrosioni.
La corrosione è favorita anche dalla presenza di anidride carbonica nell’acqua. Tale sostanza infatti reagisce con l’acqua portando alla formazione di acido carbonico:
+ → (3.5)
Questa reazione avviene solamente a temperature abbastanza basse in quanto la solubilità dell’anidride carbonica si abbassa molto all’aumentare della temperatura. L’acido carbonico prodotto, come tutti gli acidi, porta alla corrosione del ferro, secondo la seguente reazione:
2 + → ( ) + (3.6)
Il bicarbonato ferroso è solubile e quindi circola nell’impianto. Quando trova temperature particolarmente elevate pero esso reagisce, in modo diverso a seconda che ci sia o meno presenza di ossigeno:
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4 ( ) + → 2 + 8 + 2 (3.8)
Come si può vedere tali reazioni producono anidride carbonica, che può portare alla formazione nuovamente di acido carbonico che fa procedere la corrosione. Per questo motivo la corrosione da anidride carbonica e particolarmente pericolosa, infatti essa continua a procedere anche senza l’introduzione di nuova anidride carbonica. Inoltre si ha la formazione di ossidi di ferro che precipitando causano incrostazioni e ulteriori corrosioni. La corrosione da anidride carbonica può procedere solamente nel caso in cui in impianto ci siano zone più fredde, dove può venire la reazione (3.6), e zone calde, dove avvengono le reazioni (3.7) e (3.8). Queste condizioni si hanno nel caso di centrali termiche a vapore, dove si ha la presenza di vapore molto caldo e la possibilità di presenza di condense piuttosto fredde. Questo tipo di corrosioni è inesistente in impianti ad acqua surriscaldata, dove l’acqua rimane a temperature sempre piuttosto elevate.
3.2.3 Scelta delle apparecchiature per il trattamento dell’acqua
Gli impianti termici, sono particolarmente soggetti a corrosioni e incrostazioni. Per il corretto funzionamento dell’ impianto, dunque, l’acqua che viene utilizzata è acqua trattata. La UNI CTI 8065 [11] riporta, le caratteristiche limite dell’acqua di alimento (primo riempimento e rabbocchi successivi) e di esercizio, relativamente al caso di circuiti con acqua a temperatura maggiore di quella di ebollizione alla pressione atmosferica propriamente detta acqua surriscaldata, fino ad una temperatura massima di 180 °C. La stessa norma, inoltre, indica i trattamenti a cui l’acqua deve essere sottoposta e i punti di intervento nell’impianto. Il gruppo di condizionamento dell’acqua prevede:
1. filtro di sicurezza; 2. addolcimento totale; 3. condizionamento chimico.
3.3 Accumulatore
La necessità di disporre di un sistema di accumulo deriva dalla esigenza di voler svincolare il sistema di produzione di energia dalla variabilità della domanda e avere a disposizione
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energia sufficiente per soddisfare l’utenza. Nei sistemi solari termici, come è noto, la fonte solare è aleatoria e discontinua: pertanto, accade frequentemente che produzione e richiesta di energia non siano in fase. Nel caso dei sistemi solari termici è necessario dunque prevedere un sistema di accumulo per immagazzinare energia e renderla disponibile quando serve in modo da compensare le oscillazioni e lo sfasamento tra l’offerta e la domanda ed avere un funzionamento costante dell’impianto anche nei periodi di scarso irraggiamento. I sistemi di accumulo contribuiscono quindi ad incrementare la flessibilità del sistema. L’ideale sarebbe poter accumulare tutta la produzione del campo solare, in modo da svincolare la richiesta, riducendola al massimo, dalle energie non alternative. Accumulare energia significa, però, adattare efficientemente e/o economicamente tempo di produzione/disponibilità da quello di impiego e spazio (luogo di produzione e di utilizzo). Nell’impianto che stiamo progettando, dato l’utilizzo nel circuito solare termico di acqua surriscaldata ad una temperatura di 180 °C (>> alla temperatura dell’ambiente), si è deciso di non accumulare energia termica, ma di immagazzinare energia frigorifera. In tale modo, il salto termico tra l’acqua accumulata e l’ambiente circostante (∆T = 30 – 7 = 23 °C) è di gran lunga inferiore a quello che si avrebbe accumulando acqua surriscaldata (∆T = 180 – 30 = 150 °C) , ciò, determina una minore dispersione di energia e, di conseguenza, un minor costo d’esercizio e di impianto.
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Capitolo 4
Circuito
primario:
dimensionamento
di
massima
In questo capitolo si esegue un dimensionamento di massima, delle apparecchiature principali, e della linea del circuito solare termico, molto utile per poter successivamente stimare le dimensioni dell'impianto e i costi di realizzazione e di esercizio. Il circuito solare funzionando con acqua surriscaldata a 180 °C rientra nell’ambito della direttiva PED.
4.1 Caratterizzazione macchina ad assorbimento e potenza frigorifera
prodotta
Il frigorifero ad assorbimento preso in considerazione, come descritto nel paragrafo 2.3, è una macchina ad acqua e bromuro di litio. Questa, in condizioni nominali, fornisce una potenza frigorifera di 70 kW quando viene alimentata con una portata di acqua surriscaldata a 180 °C di 3,4 /h, restituendola a 165 °C. La macchina ad assorbimento presa in esame è priva del bruciatore di backup data la presenza, nell’azienda, del gruppo refrigeratore elettrico. In condizioni nominali il coefficiente di prestazione della macchina “ COP “ è pari ad 1,3. La radiazione solare è convogliata al fluido termovettore attraverso un sistema a concentrazione di tipo Fresnel costituito da 5 moduli per una superficie captante complessiva di 187,5 . L’energia solare è fluttuante nell’arco della giornata, quindi la potenza termica che si riesce a convogliare nel fluido termo vettore che alimenti il generatore della macchina, è anch’essa fluttuante. Qui si capisce l’importanza del bruciatore di backup. Questo consente una regolazione a portata costante, pari alla portata nominale, fornendo acqua sempre a 180 °C mantenendo così costanti le prestazioni della macchina anche qualora il sistema a concentrazione non producesse energia termica sufficiente. L’assenza del bruciatore comporta dunque una variazione delle prestazioni della macchina rispetto alle condizioni nominali. È stato studiato, dunque, il comportamento della macchina al variare della potenza termica. Si sono studiate le prestazioni della macchina, senza bruciatore interno, interfacciata con il sistema solare.
42 La potenza termica è espressa dalla nota relazione:
̇ = ̇ ∗ ∗ ∆ (4.1) ̇ [ ] è la potenza termica captata dall’acqua;
Cp [kJ/kg °C] è il calore specifico dell’acqua a pressione costante. Esso viene utilizzato perche in buona approssimazione il processo di riscaldamento dell’acqua avviene appunto a pressione costante. Il calore specifico e funzione della temperatura. In prima approssimazione per questa progettazione di massima si è considerato costante, (valutato alla temperatura media dell’acqua tra l’ingresso e l’uscita nella macchina) pari a 4,2 kJ/kg °C;
̇ [kg/s] è la portata in massa di acqua; ∆ è il salto termico dell’acqua.
Al variare della potenza termica, si possono avere due condizioni di lavoro differenti:
1. ̇ = costante. La macchina si vede arrivare una portata di acqua costante con un salto termico che varia in funzione della potenza termica captata e quindi della specifica ora solare.
2. ∆T = costante. La macchina si vede arrivare acqua con una portata variabile in funzione della potenza termica captata e quindi della specifica ora solare.
I dati forniti dal costruttore della macchina mostrano condizioni di lavoro con salti termici costanti. Questi, inoltre, mostrano valori limiti, minimo e massimo, di un fattore di penalizzazione delle prestazioni della macchina“ ф “ per riduzione della portata dell’acqua di alimento al generatore.
Il valore limite massimo, è rappresentato dalle condizioni nominali:
ф = 1 per ̇ = ̇
I dati relativi al valore limite minimo, al di sotto del quale la macchina ha prestazioni nulle, sono:
ф = 0,65 per ̇ = 0,68 ̇
Nell’analizzare le prestazioni della macchina, non avendo a disposizione curve specifiche che rappresentassero il fattore di penalizzazione delle prestazioni al variare della portata di
