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Modulo 3. Impianti industriali
Sezione 3.1 Impianto frigorifero a compressione a tre
livelli di temperature: esercitazione
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Dott. Ing. Marco Pellegrini
Ing. Francesco Cento
Ing. Alessandro Guzzini
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna – Italy
Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale
EsercitazioneObiettivo
Identificazione della metodologia di calcolo per il dimensionamento di un impianto frigorifero a
più livelli di temperatura installato all’interno di uno stabilimento industriale.
Per lo scopo si definiscono i seguenti passaggi da seguire durante il procedimento:
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EsercitazioneI passo: Identificazione delle richieste del committente
Identificare quali siano le richieste del
committente è di fondamentale importanza per
realizzare una soluzione in accordo alle sue
aspettative. In particolare occorre:
• Identificare i dati iniziali per il progetto; in particolare occorre sapere:
1. Le attività che si realizzano all’interno dello stabilimento industriale, da cui derivano:
a. Temperature necessarie per lo svolgimento delle attività;
b. Tipologia di prodotto lavorato;
c. Quantità e portate di prodotto stoccate nello stabilimento.
d. Tipologia di cella necessaria
2. Layout dello stabilimento:
a. Definizione del migliore layout al fine di minimizzare le dispersioni termiche ;
b. Se è già stato individuato da altri, si procede al calcolo delle dispersioni.
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Analisi della richiesta del committente: dati iniziali
Si vuole dimensionare un impianto di refrigerazione da installare all’interno di uno stabilimento
industriale in cui si effettuano le seguenti attività:
• Conservazione di 400 tonnellate di mele suddivise in 8 celle da cui, giornalmente, vengono
rimosse 10 t per essere vendute e ne vengono aggiunte altrettante per la conservazione:
• Periodo per portare le nuove mele dalla t ambiente alla temperatura di conservazione: 5
ore;
• Temperatura di conservazione: temperatura di cella pari a 2 °C (al di sotto di tale
temperatura si ha un deterioramento delle mele – ammaccature).
• Conservazione di 10 tonnellate di bastoncini di pesce di cui 2 t vengono rimosse giornalmente
per essere sostituite con altrettante tonnellate appena arrivate:
• Il trasporto dei bastoncini di pesce avviene all’interno di container refrigerati alla stessa
temperatura della cella;
• Temperatura di conservazione: temperatura di cella pari a -20 °C.
Per tener conto anche delle situazioni di emergenza in cui la temperatura dei bastoncini arriva a
quella limite di accettabilità di -16 °C (per esempio a causa del malfunzionamento dell’impianto
frigorifero nel container) si decide di realizzare uno spazio mantenuto a -30 °C per il
raffreddamento rapido dei bastoncini in arrivo da -16 a -22 °C.
Esercitazione
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Analisi della richiesta del committente: definizione del layout
Per lo scopo è identificato il seguente layout
Esercitazione
Descrizione celle:
• 8 celle a 2 °C e grado igrometrico φ = 0,85
(celle 1 – 4 e celle 7 – 10);
• 1 cella a – 20 °C e grado igrometrico φ = 0,85
(cella 6);
• 1 cella a – 30 °C e grado igrometrico φ = 0,85
(cella 5)
Condizioni al contorno:
• Sala lavorazione a 20°C φ = 0,60
• T aria esterna: 35 °C
Altezza celle: 5 m
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EsercitazioneII passo: calcolo dei carichi termici
Per procedere alla progettazione occorre calcolare
i carichi termici dell’impianto in esame. Un’errata
valutazione può comportare sottodimensionamenti
(incapacità di soddisfare la richiesta) o
sovradimensionamenti (costo iniziale
dell’impianto eccessivo) responsabili di
insoddisfazione da parte del committente:
• Per procedere al calcolo dei carichi termici occorre:
1. Reperire le informazioni utili ai fini del dimensionamento e, ove non fosse possibile,
formulare delle ipotesi;
2. Calcolare i carichi termici (dispersioni termiche, conservazione e respirazione,
contributi interni, aperture porte e sbrinamento, etc.);
3. Tenendo conto delle ipotesi semplificative, moltiplicare i valore ottenuti per un
coefficiente di sicurezza ritenuto opportuno in funzione delle ipotesi fatte e della qualità
dei dati a disposizione (segue da punto 1). Un valore tipico solitamente è il 20%.
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Dimensionamento: definizione delle ipotesi di calcolo.
• Si consideri che ogni cella sia accessibile attraverso una porta di altezza 3m e larghezza 2m,
l’apertura è consentita solo per l’accesso e l’uscita del personale per una durata complessiva
(fra ingresso ed uscita) di 5 minuti (ogni 24 ore);
• Si consideri un sistema di illuminazione attivo solo durante il periodo di permanenza del
personale all’interno della cella;
• Si consideri che vengano utilizzati, all’interno delle celle, macchinari per il sollevamento del
materiale solo durante la presenza del personale;
• Si consideri un ciclo di sbrinamento per il ghiaccio formatosi sugli aeroventilatori, di durata
20 minuti una volta al giorno, mediante apposite resistenze elettriche.
Esercitazione
• Si consideri un accesso del personale ogni 24 ore per
una durata di 20 minuti, tale periodo di permanenza è
stato scelto in funzione della normativa sulla sicurezza
sul lavoro.
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
Per dimensionare correttamente l’impianto frigorifero occorre calcolare i carichi termici presenti.
𝑄𝑓𝑟𝑒𝑑𝑑𝑎 = 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑝 + 𝑄𝑟𝑒𝑠𝑝 + 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑠 + 𝑄𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 + 𝑄𝑖𝑛𝑡 + 𝑄𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛
Dove:
• Qfredda è la potenza frigorifera nominale richiesta all’impianto;
• Qdisp è la potenza termica dovuta alla trasmissione di calore, che dall’esterno passa all’interno
della cella, attraverso le pareti, il pavimento ed il soffitto;
• Qresp è la potenza termica di respirazione generata dai microrganismi ancora vivi nella frutta (è
presente solo nelle celle dove non è previsto il congelamento);
• Qcons è la potenza termica da sottrarre al prodotto immesso nella cella per portarlo alla
temperatura di conservazione dalla temperatura iniziale;
• Qporte è la potenza termica entrante all’apertura e chiusura delle porte;
• Qint è la potenza termica interna, che rappresenta il calore dovuto alle fonti interne (ad esempio
luci, muletti e persone che lavorano all’interno della cella);
• Qsbrin è la potenza termica di sbrinamento necessaria per eliminare il ghiaccio formatosi sugli
scambiatori.
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
Al fine del dimensionamento dell’impianto frigorifero occorre distinguere fra carichi termici continui e
carichi non continui.
Si può per lo scopo seguire la seguente distinzione:
• Carichi continui:
• Dispersioni termiche Qdisp;
• Potenza di respirazione Qresp.
• Carichi non continui:
• Potenza per la conservazione del prodotto Qcons;
• Potenza entrante a seguito dell’apertura delle porte Qporte;
• Potenza introdotta da motori, persone, luci Qint;
• Potenza di sbrinamento Qsbrin.
Al fine di evitare sovradimensionamenti, si può ipotizzare di erogare l’energia frigorifera associata ai carichi
non continui in un intervallo di tempo definito in funzione delle attività svolte in cella.
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
Infatti l’energia termica Eth introdotta da ciascuna carico termico non continuo, definito Qist per genericità,
per l’intervallo Δtist vale:
𝐸𝑡ℎ = 𝑄𝑖𝑠𝑡∆𝑡𝑖𝑠𝑡
Conseguentemente a parità di energia frigorifera da introdurre (Efrig) è opportuno scegliere intervalli
temporali Δt maggiori di Δtist al fine di ridurre la potenza frigorifera richiesta all’impianto Qfrig, comunque
minore di quella entrante:
𝑄𝑓𝑟𝑖𝑔 =𝐸𝑓𝑟𝑖𝑔
∆𝑡=
𝐸𝑡ℎ
∆𝑡=
𝑄𝑖𝑠𝑡∆𝑡𝑖𝑠𝑡
∆𝑡→ 𝑝𝑜𝑖𝑐ℎè ∆𝑡𝑖𝑠𝑡< ∆𝑡 ⟹ 𝑄𝑓𝑟𝑖𝑔 < 𝑄𝑖𝑠𝑡
La durata massima dell’intervallo deve essere definito in accordo con i requisiti dell’applicazione e dunque
della conservazione di mele e bastoncini nella specifica applicazione.
Esercitazione
Tipo di cella Intervallo Δt,
[h]
Motivazione
Cella a 2 °C 5 Oltre le cinque ore si potrebbe avere deterioramento delle mele.
Cella a -20 °C 18 E’ stato scelto tale valore in quanto corrispondente al periodo di funzionamento in
continuo consigliato dal fornitore dell’evaporatore .
Cella a -30 °C 1 In caso di emergenza occorre effettuare un raffreddamento rapido.
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
Avendo ipotizzato di fornire l’energia termica entrante in un intervallo temporale maggiore rispetto a quello
per cui sono applicati, nel calcolo dei carichi termici presenti in cella si utilizza un coefficiente di
contemporaneità pari al 100%.
Volendo riportare un caso studio, tuttavia, le condizioni al contorno definite sono semplificate rispetto alla
realtà. Infatti, nei casi reali, occorre tener conto anche di valutazioni dinamiche per determinare la capacità
dell’impianto di far fronte a carichi istantanei imprevisti come per esempio l’ingresso non programmato di un
operatore e di una macchina con apertura della porte.
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
1. Potenza termica per dispersione Qdisp
Questo termine rappresenta la dispersione termica attraverso le pareti delle celle che dipende dal materiale
scelto come isolante, dallo spessore, dall’esposizione della cella e del gradiente di temperatura fra interno ed
esterno:
𝑄 = 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ ∆𝑇 = 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ 𝑇𝑒𝑠𝑡 − 𝑇𝑖𝑛𝑡 + ∆𝑇𝑐𝑜𝑟𝑟
Dove U è il coefficiente globale di scambio termico:
𝑈 =1
1𝛼𝑒
+𝑠𝜆+1𝛼𝑖
Esercitazione
Dove:
• A è la superficie delle pareti [m2];
• ΔT è il gradiente termico fra interno ed esterno,
aumentato del fattore correttivo ΔTcorr in funzione
dell’esposizione [K];
• 𝜆 è la conduttività termica del muro [W/mK];
• S è lo spessore della parete [m];
• 𝛼𝑖 è la conduttanza interna [W/m2K];
• 𝛼𝑒è la conduttanza esterna [W/m2K].
Tabella: fattori correttivi di temperatura in funzione
dell’esposizione e della tipologia di superficie.
Fonte: 2014 ASHRAE Handbook refrigeration.12/57
Celle a 2 °C con due lati verso l'esterno (da 1 a 4)
PARETI A B C D Soffitto celle 1-4 Pavimento celle 1-4
Superficie [m2] 200 75 200 75 600 600
Esposizione NordInterna su
sala lavoraz.
Interna su
corridoioEst - -
Δt [°C] 33 18 18 33 33 10
Maggiorazione Δt dovuta
all'esposizione[°C]0 3 - 3 5 -
Δt totale [°C] 33 21 18 36 38 10
Conduttività termica λ [W/(mK)] 0,024 0,024 0,024 0,024 0,024 0,0349
Spessore pareti [mm] 80 60 60 80 100 80
Coefficiente di scambio esterno alla
cella αe [W/(m2K)]23,26 8,14 8,14 23,26 23,26 2,12
Coefficiente di scambio interno alla
cella αi [W/(m2K)]8,14 8,14 8,14 8,14 5,88 10
Coefficiente di scambio effettivo U
[W/(m2K)]0,29 0,36 0,36 0,29 0,23 0,35
Q disperso [kW] 1,89 0,57 1,31 0,77 5,21 2,10
Q effettivo totale [kW] 11,84
Q specifico [W/m2] 6,77
Esercitazione
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Cella a 2°C con un lato verso l'esterno e uno verso le celle a -30 e -20 (da 7 a 10)
PARETI CONSIDERATE G L N O P Soffitto celle 7-10 Pavimento celle 7-10
Superficie [m2] 50 150 75 200 75 600 600
EsposizioneInterna su
cella a -30°Interna su
cella a -20°Interna su
sala lavoraz.
Interna su
corridoioEst - -
Δt [°C] -32 -22 18 18 33 33 10
Maggiorazione Δt dvuta
all'esposizione[°C]- - - - 3 5 -
Δt totale [°C] -32 -22 18 18 36 38 10
Conduttività termica λ
[W/(mK)]0,024 0,024 0,024 0,024 0,024 0,024 0,0349
Spessore pareti [mm] 40 40 60 60 80 100 80
Coefficiente di scambio
esterno alla cella αe
[W/(m2K)]
8,14 8,14 8,14 8,14 23,26 23,26 2,12
Coefficiente di scambio
interno alla cella αi
[W/(m2K)]
8,14 8,14 8,14 8,14 8,14 5,88 10
Coefficiente di scambio
effettivo U [W/(m2K)]0,52 0,52 0,36 0,36 0,29 0,23 0,35
Q disperso [kW] -0,84 -1,73 0,49 1,31 0,77 5,21 2,10
Q effettivo totale [kW] 7,31
Q specifico [W/m2] 4,18
Esercitazione
Valore negativo in quanto confinanti
con una cella a T inferiore14/57
Cella a -20°C (cella 6)
PARETI H I L M Soffitto cella 6 Pavimento cella 6
Superficie [m2] 50 150 150 50 300 300
EsposizioneInterna su
cella a -30°Interna su
corridoio
Interna su cella
a 0°est - -
Δt [°C] -10 40 22 55 55 32
Maggiorazione Δt dovuta
all'esposizione [°C]- - - 3 5 -
Δt totale [°C] -10 40 22 58 60 32
Conduttività termica λ
[W/(mK)]0,024 0,024 0,024 0,024 0,024 0,0349
Spessore pareti [mm] 40 60 40 100 100 100
Coefficiente di scambio esterno
alla cella αe [W/(m2K)]8,14 8,14 8,14 23,26 23,26 2,12
Coefficiente di scambio interno
alla cella αi [W/(m2K)]8,14 8,14 8,14 8,14 5,88 10
Coefficiente di scambio
effettivo U [W/(m2K)]0,52 0,36 0,52 0,23 0,23 0,29
Q effettivo [kW] -0,26 2,19 1,73 0,67 4,11 2,79
Q effettivo totale [kW] 11,22
Q specifico [W/m2] 11,22
Esercitazione
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Cella a -30°C
PARETI E F G H Soffitto cella 5 Pavimento cella 5
Superficie [m2] 50 50 50 50 100 100
EsposizioneInterna su
sala lavoraz.
Interna su
corridoio
Interna su
cella a 2°Interna su
cella a -20°- -
Δt [°C] 50 50 32 10 65 42
Maggiorazione Δt dovuta
all'esposizione [°C]- - - - 5 -
Δt totale [°C] 50 50 32 10 70 42
Conduttività termica λ [W/(mK)] 0,024 0,024 0,024 0,024 0,024 0,0349
Spessore pareti [mm] 60 60 40 40 100 100
Coefficiente di scambio esterno alla
cella αe [W/(m2K)]8,14 8,14 8,14 8,14 23,26 2,12
Coefficiente di scambio interno alla
cella αi [W/(m2K)]8,14 8,14 8,14 8,14 5,88 10
Coefficiente di scambio effettivo U
[W/(m2K)]0,36 0,36 0,52 0,52 0,23 0,29
Q effettivo [kW] 0,91 0,91 0,84 0,26 1,60 1,22
Q effettivo totale [kW] 5,74
Q specifica [W/m2] 14,35
Esercitazione
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3,20𝑘𝑊 2,62 𝑘𝑊 2,62 𝑘𝑊 3,40𝑘𝑊
5,74 𝑘𝑊 11,22 𝑘𝑊
1,81𝑘𝑊 1,58 𝑘𝑊1,58𝑘𝑊
2,35 𝑘𝑊
Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
1. Potenza termica per dispersione Qdisp
Vediamo come la disposizione delle
celle influisce sulle dispersioni
termiche. Le celle con pareti non
confinanti verso l’esterno e con una
parete in comune con ambienti a
temperature inferiori presentano delle
dispersioni minori. In fase di
progettazione del layout bisognerà
tenere in considerazione anche questo
fattore.
A parità di superficie:
Celle 1-4: 11,84 kW totali
Celle 7-8: 7,31 kW totali (-38%)
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2. Potenza frigorifera richiesta per respirazione Qresp
Ciascun prodotto non congelato contiene degli organismi viventi che continuano a cedere calore in funzione
della temperatura di stoccaggio.
(Becker et al., 1996) definisce una correlazione fra la quantità di CO2 emessa dagli organismi ed il calore di
respirazione prodotto in funzione della temperatura ambiente:
𝑄𝑟𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒,𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎 =10,7𝑓
3600
9 × 𝑇
5+ 32
𝑔𝑊
𝑘𝑔
Dove g ed f sono dei coefficienti tabulati in funzione dello specifico prodotto e T è la temperatura ambiente
in °C
Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
Tabella: coefficienti di respirazione per alcuni alimenti.
Fonte: 2014 ASHRAE Handbook refrigeration.
Esercitazione
Prodotto f g
Quantità di prodotto che
produce 1 kW, [kg]
Mele 0,00056871 2,5977 55.186
Ribes 0,00007252 3,2584 40.852
Cavolini di brussels 0,0027238 2,5728 12.594
Cavolo 0,00060803 2,6183 47.955
Carote 0,050018 1,7926 11.134
Stoccando quantità uguali di prodotti
differenti si possono avere potenze per
respirazione molto differenti.
Per cui modificare il prodotto stoccato
comporta valutazioni sulla nuova
capacità richiesta all’impianto
frigorifero. 18/57
2. Potenza frigorifera richiesta per respirazione Qresp
𝑄𝑟𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒,𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎 =10,7𝑓
3600
9 × 𝑇
5+ 32
𝑔𝑊
𝑘𝑔
Questo termine è presente solamente nella cella a 2 °C:
𝑄𝑟𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒,𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎 =10,7∗0,00056871
3600
9×2
5+ 32
2,5977= 0,018 [W/kg]
Considerando la quantità di prodotto stoccata pari a 50000 kg si ha:
𝑄𝑟𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 = 𝑄𝑟𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒,𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎 ×𝑀𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑜 = 0,018 × 50000 = 900𝑊
Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
Esercitazione
Tabella: coefficienti di respirazione per alcuni alimenti.
Fonte: 2014 ASHRAE Handbook refrigeration.
Prodotto f g
Quantità di prodotto che
produce 1 kW, [kg]
Mele 0,00056871 2,5977 55.186
Ribes 0,00007252 3,2584 40.852
Cavolini di brussels 0,0027238 2,5728 12.594
Cavolo 0,00060803 2,6183 47.955
Carote 0,050018 1,7926 11.134
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
3. Potenza termica richiesta per conservazione Qcons
Essendo un carico non continuo, per calcolare la potenza termica richiesta per conservazione si calcola
l’energia termica introdotta di conservazione (Econs). Questa è l’energia necessaria per portare il prodotto
dalla temperatura di partenza alla temperatura finale. In particolare questa quantità può essere calcolata nel
seguente modo:
𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠 = 𝑀𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑜 ∗ 𝑐𝑝𝑠𝑜𝑝𝑟𝑎 ∗ (𝑇𝑖𝑛𝑖𝑧𝑖𝑎𝑙𝑒 − 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒)
Dove cpsopra è il calore specifico del prodotto per temperature superiori a quelle di congelamento in [kJ/kgK],
Mprodotto è la massa di prodotto in [kg].
Per quanto riguarda la frutta, i valori tipici del calore specifico oscillano fra 2,5 e 4 kJ/kgK, in quanto
composta principalmente da acqua. Riportiamo di seguito le tabelle con i dati di nostro interesse ossia mele e
bastoncini di merluzzo. (Fonte: 2014 ASHRAE Handbook refrigeration).
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
3. Potenza termica richiesta per conservazione Qcons
Nel caso la frutta introdotta in cella giornalmente non venga disposta a terra ma su pallet, bisognerà
considerare anche l’apporto termico necessario a portare in temperatura tale materiale. Di conseguenza
l’energia necessaria per la conservazione risulta pari a:
𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠 = 𝑀𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑜 ∗ 𝑐𝑝𝑠𝑜𝑝𝑟𝑎 ∗ 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑧𝑖𝑎𝑙𝑒 − 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒 +𝑀𝑙𝑒𝑔𝑛𝑜 ∗ 𝑐𝑝legno ∗ (𝑇𝑖𝑛𝑖𝑧𝑖𝑎𝑙𝑒 − 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒)
Esercitazione
Tabella: Calore specifico tipico di
Materiali per packaging.
Fonte: 2014 ASHRAE Handbookrefrigeration
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
3. Potenza termica richiesta per conservazione Qcons
Per il calcolo della potenza termica si divide l’energia termica calcolata per l’intervallo temporale in cui si è
ipotizzato fornire tale energia:
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑠 =𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠∆𝑡
=𝑀𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑜 ∗ 𝑐𝑝𝑠𝑜𝑝𝑟𝑎 ∗ 𝑇𝑖𝑛𝑖𝑧𝑖𝑎𝑙𝑒 − 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒 +𝑀𝑙𝑒𝑔𝑛𝑜 ∗ 𝑐𝑝legno ∗ (𝑇𝑖𝑛𝑖𝑧𝑖𝑎𝑙𝑒 − 𝑇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒)
∆𝑡
Si considera inoltre che il pallet, in legno, abbia un peso di 20 kg (per la cella a 2°C) e 5 kg (per la cella a -
20°C) e temperatura pari a 30 C.
• Cella a 2 °C:
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑠 =𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠,𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 2𝐶∆𝑡𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 2 𝐶
=10000 × 3,81 × 30 − 2 + 20 × 1,7 × (30 − 2)
5 × 3600= 59,31 𝑘𝑊
• Cella a -20 °C:
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑠 =𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠,𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 −20 𝐶
∆𝑡𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 −20 𝐶=2000 × 2,14 × −20 − −20 + 5 × 1,7 × −20 − −20
18 × 3600= 0 𝑘𝑊
• Cella a -30 °C:
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑠 =𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠,𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 −20 𝐶
∆𝑡𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 −30 𝐶=2000 × 2,14 × −16 − −22 + 5 × 1,7 × −16 − −20
1 × 3600= 7,14 𝑘𝑊
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
3. Potenza termica aperture porte Qporte
Ogni qual volta si verifica un’apertura fra una cella e l’ambiente esterno, si crea uno scambio naturale di aria
fra i due spazi comportando di conseguenza l’ingresso di aria calda dall’esterno.
La formula più utilizzata per il calcolo delle infiltrazioni è quella formulata da Gosney e Olama:
𝐺𝑎 = 𝐶𝑖𝑛𝑓𝐴 𝐻𝜌𝑖 − 𝜌0
𝜌𝑖
12 2
1 +𝜌𝑖𝜌0
13
32∗
𝜌𝑖 − 𝜌02
Dove
• 𝐺𝑎 = portata massica dell’aria entrante [m3/s];
• 𝐶𝑖𝑛𝑓= coefficiente di infiltrazione = 0,692 𝑚/𝑠
• A = area frontale porta [m2]
• H = altezza della porta [m]
• 𝜌𝑖 = densità dell’aria fredda [kg/m3]
• 𝜌0 = densità dell’aria calda [kg/m3]
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
3. Potenza termica aperture porte Qporte
Una volta calcolata la portata massica si procederà con il calcolo della potenza frigorifera:
𝑄𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 = 𝐺𝑎 ℎ𝑎,𝑜 − ℎ𝑎,𝑖Dove:
• ℎ𝑎,𝑜= entalpia aria esterna [kJ/kg]
• ℎ𝑎,𝑖 = entalpia aria interna [kJ/kg]
Il carico frigorifero dovuto all’apertura delle porte può essere dunque notevole, per questo motivo bisogna
fare in modo che la porta venga aperta solo lo stretto necessario, stabilendo una frequenza e un periodo
massimo di apertura.
Questi valori dipendono principalmente dalla tipologia operativa della cella e dalle condizioni ambientali
circostanti. Altre soluzioni possono essere l’utilizzo di cortine d’aria, vestiboli, strisce di plastica e dock
intermedi refrigerati che possono diminuire tale perdita anche del 80-90%.
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
3. Potenza termica aperture porte Qporte
Per tutti e tre i casi si considera un’apertura di durata complessiva 5 min. La superficie totale delle porte è 6
m2.
• Cella a 2°C:
𝐺𝑎 =0,692 ∗ 6 ∗ 3 ∗
1,280 − 1,197
1,280
12 2
1 +1,2801,197
13
32 1,280 − 1,197
2= 0,037 m3/s
• Cella a -20 °C:
𝐺𝑎 =0,692 ∗ 6 ∗ 3 ∗
1,394 − 1,197
1,394
12 2
1 +1,3941,197
13
32 1,394 − 1,197
2= 0,123 m3/s
• Cella a -30 °C:
𝐺𝑎 = 0,692 ∗ 6 ∗ 3 ∗1,451 − 1,197
1,451
0,52
1 +1,4511,197
13
32 1,451 − 1,197
2= 0,173 m3/s
Esercitazione
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Esercitazione
Mentre da diagramma di Mollier:
ℎ𝑎,𝑜 = 43 kJ/kg
ℎ𝑎,𝑖(2°𝐶) = 9 kJ/kg
ℎ𝑎,𝑖(−20°𝐶) = -15 kJ/kg
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
3. Potenza termica aperture porte Qporte
È quindi possibile utilizzando il diagramma di Mollier definire il carico termico conseguente all’apertura
delle porte.
• Cella a 2°C:
𝐸𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 = 𝐺𝑎 ℎ𝑎,𝑜 − ℎ𝑎,𝑖 × 𝑡 = 0,037 × 43 − 9 × 5 × 60 = 377,4 𝑘𝐽
Considerando il tempo di 5 ore precedentemente ipotizzato, otteniamo una potenza di:
𝑄𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 =𝐸𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒
5 × 3600=
377,4
5 × 3600= 0,02 𝑘𝑊
• Cella a -20 °C:
𝐸𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 = 𝐺𝑎 ℎ𝑎,𝑜 − ℎ𝑎,𝑖 × 𝑡 = 0,123 × 43 − (−15) × 5 × 60 = 2140,2 𝑘𝐽
Considerando il tempo di 18 ore precedentemente ipotizzato, otteniamo una potenza di :
𝑄𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 =𝐸𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒
18 × 3600=
2140,2
18 × 3600= 0,03 𝑘𝑊
Nel caso della cella a -30 C si utilizzano delle correlazioni per determinare l’entalpia dell’aria interna, non
avendo a disposizione i dati per temperature inferiori a -20 C nel diagramma utilizzato.
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
3. Potenza termica aperture porte Qporte
• Cella a -30 °C:
𝐺𝑎 = 0,692 ∗ 6 ∗ 3 ∗1,451 − 1,197
1,451
0,52
1 +1,4511,197
13
32 1,451 − 1,197
2= 0,173 m3/s
𝜌𝑖 = considerata a -30° e con umidità relativa dell’85%
𝜌0= considerata a 20° e con umidità relativa del 60%
Per il calcolo dell’entalpia alla temperatura di -30°C, non trovandola nel diagramma di Mollier faremo
ricorso al metodo analitico per il calcolo dell’entalpia h:
𝑝𝑠𝑎𝑡 𝑇 = exp 16,6536 −4030,183
𝑇 + 235= 500 𝑃𝑎
𝑥 = 0,622𝜑𝑝𝑠𝑎𝑡 𝑇
𝑝𝑡𝑜𝑡 − 𝜑𝑝𝑠𝑎𝑡 𝑇= 26,2 × 10−3
𝑘𝑔𝑣𝑘𝑔𝑎
ℎ −30 𝐶 = 1,005 𝑇 + 𝑥 2501 + 1,87 × 𝑇 = −29 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Dove T è la temperatura dell’aria all’interno della cella [C], φ è il grado igrometrico dell’aria, ptot è la
pressione ambiente e pari 101325 Pa e psat (T) è la pressione di saturazione dell’aria alla temperatura T
Esercitazione
𝐸𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 = 𝐺𝑎 ℎ𝑎,𝑜 − ℎ𝑎,𝑖 × 5 × 60
= 0,173 × 43 − (−29) × 300 = 3736,8 𝑘𝐽
Considerando quindi di fornire quest’energia in
un’ora, otteniamo la seguente potenza:
𝑄𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 =𝐸𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒
1×3600= 1,038 kW
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
5. Potenza termica carichi interni Qint
I carichi termici interni sono calcolati nel seguente modo:
𝑄𝑖𝑛𝑡 = 𝑄𝑖𝑙𝑙 + 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 + 𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐
Dove:
• 𝑄𝑖𝑙𝑙 è la potenza introdotta dalle luci per l’illuminazione del locale. Questa quantità dipende dalle attività
che si svolgono all’interno della cella e dalla tecnologia di illuminazione;
• 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 è la potenza introdotta dalle persone che si trovano all’interno per motivi di lavoro e che cedono
all’ambiente calore sensibile e latente;
• 𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐 è la potenza introdotta dai motori accesi all’interno del locale, dei carrelli elevatori e dei
macchinari di lavorazione presenti in cella. In generale invece, per quanto riguarda le apparecchiature con
motore interne alla cella, poiché non funzionano sempre a pieno regime, si può applicare un fattore di
utilizzazione compreso fra 0,6 e 0,8;
È dunque fondamentale per identificare tali termini conoscere quali sono le attività svolte all’interno della
cella.
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
5. Potenza termica illuminazione Qint
Essendo un carico non continuo, si calcola l’energia termica introdotta dall’illuminazione all’interno della
cella. In particolare si assume:
• Tipologia di lampade: lampade al led. L’utilizzo di illuminazione al led può ridurre notevolmente
tale contributo;
• Potenza illuminazione (Qlampade): 5 W/m2 (dove m2 è la superficie calpestabile delle celle definita
con la lettera S);
• Durata accensione lampade (Δtist): 20 min. ogni 24 ore.
Tale valore risulta circa 1/3 rispetto alle potenze dei sistemi di illuminazione dei locali predisposti alla
lavorazione del cibo.
L’energia introdotta è dunque:
𝐸𝑖𝑙𝑙 = 𝑄𝑙𝑎𝑚𝑝𝑎𝑑𝑒 × 𝑆 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡
La potenza frigorifera corrispondente vale:
𝑄𝑖𝑙𝑙 =𝐸𝑖𝑙𝑙∆𝑡
=𝑄𝑙𝑎𝑚𝑝𝑎𝑑𝑒 × 𝑆 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡
∆𝑡
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
5. Potenza termica illuminazione Qill:
𝑄𝑖𝑙𝑙 =𝐸𝑖𝑙𝑙∆𝑡
=𝑄𝑙𝑎𝑚𝑝𝑎𝑑𝑒 × 𝑆 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡
∆𝑡
• Celle a 2 °C
𝑄𝑖𝑙𝑙 =0,005 × 150 × 20 × 60
3600 × 5= 0,05 𝑘𝑊
• Cella a -20 °C:
𝑄𝑖𝑙𝑙 =0,005 × 300 × 20 × 60
3600 × 18= 0,03 𝑘𝑊
• Cella a -30 °C:
𝑄𝑖𝑙𝑙 =0,005 × 100 × 20 × 60
3600 × 1= 0,17 𝑘𝑊
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
5. Potenza termica persone Qpers
La potenza termica ceduta da una persona dipende dall’abbigliamento indossato, dal sesso e dall’attività
motoria compiuta (EN 28996:1994). Per semplicità di calcolo si possono prendere a riferimento i dati
riportati in tabella che si riferiscono a condizioni standard.
Esercitazione
Essendo un carico non continuo, si calcola l’energia termica introdotta
dalle persone all’interno della cella. In particolare si assume:
In particolare si assume:
• Durata permanenza persone all’interno (Δtist): 20 min. ogni
24 ore;
• Numero di persone all’interno della cella: 1#;
• Il calore emesso da una persone (Qp) in accordo alla tabella.
L’energia introdotta è dunque:
𝐸𝑝𝑒𝑟𝑠 = 𝑄𝑝 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡
La potenza frigorifera corrispondente vale:
𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 =𝐸𝑝𝑒𝑟𝑠∆𝑡
=𝑄𝑝 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡
∆𝑡
Temperatura di cella, [°C]
Potenza termica (sensibile + latente) ceduta da una
persona, Qp [W/#]
10 210
2 258
0 270
-5 300
-10 330
-15 350
-20 390
Tabella : potenza termica ceduta dal corpo umano in funzione della temperatura ambiente. Fonte: ASHRAE Handbookrefrigeration
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
5. Potenza termica persone Qpers
𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 =𝐸𝑝𝑒𝑟𝑠∆𝑡
=𝑄𝑝 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡
∆𝑡
• Celle a 2 °C
𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 =0,258 × (20 × 60)
3600 × 5= 0,02 𝑘𝑊
• Cella a -20 °C:
𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 =0,39 × (20 × 60)
3600 × 18= 0,01 𝑘𝑊
• Cella a -30 °C:
𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 =0,510 × (20 × 60)
3600 × 1= 0,17 𝑘𝑊
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
5. Potenza termica motori Qmot+macc
Essendo un carico non continuo, si calcola l’energia termica introdotta dai motori presenti all’interno della
cella. In particolare si assume che il contributo sia dato da:
• Calore ceduto dal motore dell’aeroventilatore scelto, noto una volta scelto l’aeroventilatore;
• Si suppone che non siano presenti macchinari per la lavorazione del prodotto dentro la cella;
• Altri motori presenti all’interno delle celle. Si può ipotizzare:
• Presenza di un muletto di potenza Qmul pari a 12 kW;
• Essendo acceso solo in presenza di personale, si assume che il muletto funzioni 20 min. ogni 24 ore
(Δtist);
• Inoltre si assume un coefficiente di utilizzo (fu) pari a 0,6 dovuto al fatto che il muletto rilascia
l’intera potenza solamente in alcune attività fra cui quella di sollevamento;
• Rendimento elettrico ηel assunto pari a 0,8.
L’energia introdotta è dunque:
𝐸𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐 = 𝑓𝑢 × 𝑄𝑚𝑢𝑙 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡 × (1 − 𝜂𝑒𝑙)
La potenza frigorifera corrispondente vale:
𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐ℎ =𝐸𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐
∆𝑡=𝑓𝑢 × 𝑄𝑚𝑢𝑙 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡 × 1 − 𝜂𝑒𝑙
∆𝑡
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
5. Potenza termica motori Qmot
𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐ℎ =𝐸𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐
∆𝑡=
𝑓𝑢 × 𝑄𝑚𝑢𝑙 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡 × 1 − 𝜂𝑒𝑙
∆𝑡
• Celle a 2 °C
𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐ℎ =0,6 × 12 × 20 × 60 × (1 − 0,8)
3600 × 5= 0,10 𝑘𝑊
• Cella a -20 °C:
𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐ℎ =0,6 × 12 × 20 × 60 × (1 − 0,8)
3600 × 18= 0,03 𝑘𝑊
• Cella a -30 °C:
𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐ℎ =0,6 × 12 × 20 × 60 × (1 − 0,8)
3600 × 1= 0,48 𝑘𝑊
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
5. Potenza termica carichi interni Qint
𝑄𝑖𝑛𝑡 = 𝑄𝑖𝑙𝑙 + 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 + 𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐
• Celle a 2 °C
𝑄𝑖𝑛𝑡 = 𝑄𝑖𝑙𝑙 + 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 + 𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐 = 0,05 + 0,02 + 0,10 = 0,17 𝑘𝑊
• Cella a -20 °C:
𝑄𝑖𝑛𝑡 = 𝑄𝑖𝑙𝑙 + 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 + 𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐 = 0,03 + 0,01 + 0,03 = 0,07 𝑘𝑊
• Cella a -30 °C:
𝑄𝑖𝑛𝑡 = 𝑄𝑖𝑙𝑙 + 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑠 + 𝑄𝑚𝑜𝑡+𝑚𝑎𝑐𝑐 = 0,17 + 0,17 + 0,48 = 0,82 𝑘𝑊
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
5. Potenza termica sbrinamento Qsbrin
Per evitare che si abbia un decadimento dello scambio termico dovuto alla formazione di ghiaccio sugli
evaporatori viene effettuato uno sbrinamento termico. Per lo scopo il metodo più utilizzato è quello a gas
caldo anche se sono possibili altri metodi fra i quali l’inversione di ciclo o l’utilizzo di resistente elettriche.
Teoricamente, nel caso delle celle a 2 °C, la cessione di calore all’ambiente è praticamente nullo in quanto
l’energia termica fornita viene immagazzinata nella liquefazione del ghiaccio che avviene a temperatura
costante e pari alla temperatura di cella. Conseguentemente non si ha trasmissione di calore essendo nullo il
ΔT fra ghiaccio e cella. Per le altre celle, viceversa, occorre tener conto che il ghiaccio prima di liquefare
assorbe calore sensibile aumentando la propria temperatura; dunque non essendo nulla la differenza di
temperatura si ha potenza termica immessa in cella per sbrinamento.
Nella realtà tuttavia anche nel caso della cella a 2 °C si ha cessione di calore all’interno a causa della
regolazione utilizzata per il controllo dello sbrinamento. Infatti, nel caso della resistenza elettrica, questa
viene spenta nel momento in cui sull’evaporatore è raggiunta una temperatura superiore a 0 °C (solitamente
pari a 5 °C) per essere sicuri della liquefazione del ghiaccio su tutta la superficie.
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
6. Potenza termica sbrinamento Qsbrin
Essendo un carico non continuo, si calcola l’energia termica introdotta dall’attività di sbrinamento. Per calcolare questa
quantità si introduce il concetto di rendimento del processo di sbrinamento (ηsbrin) definito come rapporto fra energia
necessaria per sbrinare (E*sbrin) ed energia effettivamente fornita (Efornita).
𝜂𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛 =𝐸∗𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛𝐸𝑓𝑜𝑟𝑛𝑖𝑡𝑎
Da prove effettuate (Niederer, 1976), (Stoecker, 1983), (Cole, 1989) è suggerito un rendimento pari al 20%.
Conseguentemente si ipotizza che circa 80% della potenza introdotta per sbrinamento entra all’interno della cella per i
calcoli. Si ipotizza quanto segue:
• Numero di cicli di sbrinamento (N): 1#/die;
• Durata sbrinamento Δtist pari a 20 min;
• Rendimento del processo di sbrinamento ηsbrin pari a 0,20.
L’energia termica introdotta vale:
𝐸𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛 = 𝑁 × 𝑄𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛_𝑎𝑒𝑟𝑜 × 1 − 𝜂𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡
Dove Qsbrin_aero è la potenza di sbrinamento fornita dal costruttore nel datasheet della macchina.
La potenza frigorifera corrispondente vale:
𝑄𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛 =𝐸𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛∆𝑡
=𝑁 × 𝑄𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛_𝑎𝑒𝑟𝑜 × 1 − 𝜂𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛 × ∆𝑡𝑖𝑠𝑡
∆𝑡
Esercitazione
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Dimensionamento: calcolo dei carichi termici
Per dimensionare correttamente l’impianto frigorifero occorre calcolare i carichi termici presenti.
Esercitazione
75,2 𝑘𝑊 74,5 𝑘𝑊 74,5 𝑘𝑊 75,4 𝑘𝑊
16,68 𝑘𝑊 13,69 𝑘𝑊
73,5 𝑘𝑊 73,2 𝑘𝑊 73,2𝑘𝑊 74,2 𝑘𝑊
𝑄𝑓𝑟𝑒𝑑𝑑𝑎 = 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑝 + 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑠+𝑟𝑒𝑠𝑝 + 𝑄𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 + 𝑄𝑖𝑛𝑡
Il valore trovato tiene conto di un coefficiente di
sicurezza pari al 20%
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EsercitazioneIII passo: scelta del fluido frigorifero
La scelta del fluido frigorifero è di fondamentale
importanza per la progettazione dell’impianto.
Questa dipende dalle seguenti considerazioni:
1. Identificazione della temperatura di evaporazione in funzione della temperatura richiesta dal
committente;
2. Identificazione della temperatura di condensazione. Questa dipende dalla sorgente fredda
che si ha a disposizione che può essere acqua di falda, acqua di torre o aria esterna;
3. Analisi di mercato relativa alla reale disponibilità dei singoli componenti: la scelta di un
fluido potrebbe essere scartata a causa dell’assenza sul mercato di prodotti utilizzabili per
l’applicazione;
4. Definizione del ciclo termodinamico rappresentativo dell’impianto e del Energy Efficiency
Ratio (EER).
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Scelta del fluido di lavoro
La scelta del fluido frigorifero utilizzato nel ciclo è di fondamentale importanza nel dimensionamento
dell’impianto frigorifero. In particolare occorre effettuare alcune considerazioni fra cui:
• Temperatura di evaporazione. La temperatura di evaporazione (derivante dalle richieste del
committente) identifica differenti pressioni di evaporazioni in funzione del fluido utilizzato;
Solitamente si identifica una differenza di temperatura superiore ai 5 K fra temperatura richiesta e
temperatura di evaporazione
• Temperatura di condensazione. La temperatura di condensazione dipende dalla sorgente fredda a
nostra disposizione in prossimità dell’impianto. A ciascuna temperatura di condensazione
corrisponde una pressione di condensazione in funzione del fluido frigorifero utilizzato. Solitamente
si identifica una differenza di temperatura superiore ai 5 K fra temperatura richiesta e temperatura di
condensazione
La scelta del fluido frigorifero dunque caratterizza l’EER e quindi le prestazioni energetiche del futuro
impianto. L’obiettivo è quello di ottimizzare l’EER al fine di ridurre i costi operativi dell’impianto e dunque
massimizzare il margine operativo lordo (MOL) annuale.
Tuttavia a queste richieste occorre associare componenti effettivamente disponibili sul mercato. Non è infatti
detto che la scelta del fluido derivante per motivi prestazionali (termodinamici) corrisponda la reale scelta
(funzione della disponibilità di mercato).
Esercitazione
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Identificazione della sorgente fredda
Per motivi economici e di ingombri si vorrebbe realizzare un condensatore il più economico possibile ed il
meno ingombrante in termini di superficie. Entrambe le richieste derivano da quella di minimizzazione della
superficie di scambio che può essere ottenuta aumentando i coefficienti di scambio o la differenza di
temperatura media logaritmica. Per questo motivo solitamente si definisce che la temperatura di
condensazione del fluido frigorifero sia ad una temperatura superiore di almeno 5 K del fluido freddo in
uscita dal condensatore. Conseguentemente la temperatura della sorgente fredda determina quella di
condensazione e dunque le prestazioni del ciclo.
Le sorgenti fredde comunemente utilizzabili per asportare calore dal condensatore sono le seguenti:
1. Acqua di falda. L’acqua di falda si trova a temperature comprese nell’intervallo 15 C – 20 C per tutta la
durata dell’anno. Sebbene le basse temperature potrebbero far propendere sempre per questa sorgente,
occorre valutare la profondità a cui si trova la falda, la reale disponibilità e lo stato chimico-fisico. Inoltre
il suo utilizzo è possibile previa autorizzazione da parte delle autorità competenti.
2. Torre evaporativa. La torre evaporativa consente di avere temperature della sorgente fredda solitamente
comprese fra 35 C – 30 C (nelle condizioni peggiori nella zona climatica di Bologna). In inverno è
possibile ottenere temperature inferiori grazie al maggior raffreddamento in torre.
3. Aria esterna. La temperatura dell’aria e dunque la temperatura di condensazione dipendono dalla
località di installazione e dalla stagione.
Nel caso in esame si considera un condensatore ad aria. La temperatura di progetto dell’aria è considerata
pari a 35 C.
Esercitazione
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P(Tev=-40°C)=1,3 bar
P(Tc=50°C)=23 bar
x=0,70 (isoentalpica)
Rapporto di compressione: 23/1,3=17,7
P=4,5 bar (P(Tev=-10°C))
Analisi del ciclo frigorifero
Per le temperature in gioco è stato necessario utilizzare un impianto frigorifero a R404a il cui
ciclo termodinamico è rappresentato nel diagramma p-H, in cui sono riportate le pressioni di
evaporazione e di condensazione, abbiamo scelto come ΔT per l’evaporazione di 12°C e di 15 °C
per la condensazione.
Esercitazione
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EsercitazioneIV passo: scelta dei componenti
La scelta dei componenti consente di realizzare
fisicamente l’impianto. La scelta dei singoli
componenti deve essere effettuata effettuando
un’analisi – tecnica economica; in particolare:
1. Per ciascun componente si identificano le specifiche tecniche, ossia temperature di esercizio
e potenze termiche richieste. In funzione dell’applicazione potranno essere definiti requisiti
specifici aggiuntivi qualora richiesti (materiali, rumore, etc.);
2. Si inviano le specifiche tecniche così realizzate a tre/quattro fornitori identificati sul mercato
per ottenere una quotazione tecnica ed economica del prodotto;
3. Si sceglie analizzando le quotazioni tecniche economiche ricevute ed effettuando allineamenti
tecnici; in particolare si sceglie il prodotto che, rispettando le specifiche tecniche richieste,
presenta il miglior rapporto beneficio/costo.
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Scelta dei componenti: evaporatore
La scelta dell’evaporatore deve tener conto delle seguenti:
1. Una temperatura di evaporazione di 12 C inferiore rispetto a quella mantenuta nelle celle;
2. La potenza frigorifera al netto della potenza del motore del ventilatore e di quella di sbrinamento deve
essere superiore a quella richiesta per la singola cella;
3. La freccia d’aria, definita come la distanza dall’evaporatore alla quale l’aria possiede una velocità uguale
a 0,5 m/s, deve essere maggiore della lunghezza della cella.
Per il calcolo delle potenze effettive fornite dall’evaporatore nelle condizioni definite occorre tenere conto
dei seguenti coefficienti che dipendono dalla temperatura di cella, dalla differenza di temperatura fra
evaporatore e cella (assunto pari a 12 C) e che correggono il valore fornito da catalogo in condizioni di prova.
Esercitazione
𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒 =𝑄𝑛𝑜𝑚𝐾2
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Scelta dei componenti: evaporatore (riportiamo solo il dimensionamento relativo alla cella a 2°C)
• Celle a 2 °C.
Si è scelto l’aeroventilatore E503H40
Esercitazione
𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒 =54,4
1,27= 42,8 𝑘𝑊
Si scelgono due aeroventilatori per una
potenza complessiva di 85,6 kW.
La potenza al netto degli assorbimenti
elettrici e dello sbrinamento risulta
essere pari a:
𝑄𝑎𝑒𝑟𝑜 = 𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒 − 𝑄𝑒𝑙 − 𝑄𝑠𝑏𝑟𝑖𝑛 =
85,6 – 0,28 – 1,09 = 84,2384,23𝑘𝑊 > 75,4 kW
Con 𝑄sbrin nel caso di celle a 2°C :
1×20,5×0,8 ×20×60
5 ×3600= 1,09 kW
Con Qel = 1,38 x 0,2 = 0,28
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Scelta dei componenti: evaporatore
• Celle a 2 °C.
Si è scelto l’aeroventilatore E503 H40
Installando due aeroventilatori affiancati si riesce a coprire una larghezza di circa 6,5 m rispetto ai 10 m totali
della cella.
Esercitazione
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Scelta dei componenti: compressore
La scelta del compressore non deve essere effettuata sommando le potenze frigorifere calcolate tal quali:
occorre infatti tener conto della contemporaneità con cui vengono si presentano i carichi.
In particolare le celle mantenute a 2 °C sono riempite quattro alla volta ogni 5 ore, alle 6:00 e alle 11:00.
Quindi la potenza massima di progetto dei compressori sarà data dalla somma delle seguenti:
• Potenza frigorifera dovuta alle dispersioni;
• Potenza frigorifera dovuta all’abbassamento di temperatura necessario alla conservazione delle mele in
quattro celle e relativi apporti interni e aperture porte;
• Potenza frigorifera di respirazione di tutte le celle.
Da queste considerazioni risulta una potenza frigorifera di progetto pari a 307 kW anziché 594 kW per le
celle a 2 °C.
Nel caso delle celle a – 20 °C abbiamo bisogno di 13,7 kW, mentre nel caso delle celle a -30 °C abbiamo
bisogno di 16,7 kW.
Esercitazione
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Scelta dei componenti: compressore (celle a 2 °C)
Esercitazione
La Potenza del compressore scelto è pari a 80,9
kW. Data la Potenza richiesta di 307 kW sono
necessari 4 compressori.
L’EER risulta 1,84.
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Scelta dei componenti: compressore (celle a -20 °)
Esercitazione
- Nel caso della cella a -20 °C si richiede 1 compressore da 16,29 kW (EER pari a 1,3);
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Scelta dei componenti: compressore (celle a -30 °)
Esercitazione
- Nel caso della cella a -30 C si richiede un compressore da 18,02 kW(EER pari a 1,04).
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Scelta dei componenti: condensatore
Il condensatore è dimensionato sulla base della potenza frigorifera complessiva fornita dal compressore per
tutte le celle. Nel caso analizzato considerando le celle a 2 °C, -20 °C e a -30 °C si ha una potenza frigorifera
totale di 337 kW.
Il condensatore deve essere dimensionato tenendo conto di diversi fattori di correzione che definiscono la
potenza fornibile nelle condizioni di esercizio rispetto a quelle dichiarate dal costruttore dello stesso in
condizioni di prova; fra queste si hanno:
• Tipo di compressore (nel caso analizzato semi-ermetico);
• Differenza di temperatura fra temperatura di condensazione e aria ambiente: assunta pari a 15 K;
• La temperatura dell’aria ambiente;
• La tipologia di fluido refrigerante;
• L’altitudine della località in cui è installato l’impianto;
• Temperatura di condensazione ed evaporazione.
Esercitazione
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Scelta dei componenti: condensatore
Esercitazione
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Scelta dei componenti: condensatore
La potenza del condensatore risulta quindi:
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 = 337 × 1,55 + 13,7 × 1,86 + 16,7 × 2,1 × 1 × 1 × 1 × 1 × 1,03 = 600 𝑘𝑊
Modello scelto CAD 606.96 XL
Esercitazione
54/57
Esercitazione
1
C
3
A 7
6
5
B
2
55/57
Ciclo termodinamico
1
4
3
2
6 5
7
4
C
B
Esercitazione
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Richiesta del committente
• Individuazione delle richieste del committente relative all’impianto frigorifero. In particolare devono essere note le temperature richieste e le portate di materiale da conservare.
• Identificazione del layout migliore per lo scopo.
Dimensionamento
• Calcolo dei carichi termici di ciascuna cella frigorifera considerando tutti i contributi: dispersioni con l’esterno, conservazione e respirazione, contributi interni, apporti dovuti all’apertura delle porte.
Scelta del fluido frigorifero
• Note le temperature di evaporazione e di condensazione (dovuta alla sorgente fredda disponibile) si procede con la scelta del fluido frigorifero. La scelta dovrà essere effettuata considerando non solo le prestazioni del ciclo (COP) ma anche l’effettiva offerta di componenti sul mercato.
Scelta dei componenti
• I componenti devono essere scelti in funzione dei risultati ottenuti dai punti precedenti. Particolare attenzione dovrà essere affidata all’analisi di contemporaneità dei carichi per evitare sovradimensionamenti eccessivi.
EsercitazioneRiepilogo
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Modulo 3. Impianti industriali
Sezione 3.1 Impianto frigorifero a compressione a tre
livelli di temperature: esercitazione
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Dott. Ing. Marco Pellegrini
Ing. Francesco Cento
Ing. Alessandro Guzzini
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna – Italy
Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale