> [!Info]- Legenda *Q2 = calore assorbito a bassa temperatura;* *Q1 = calore restituito all’ambiente esterno;* *L = lavoro speso nel compressore.* *W1 = exergia in ingresso* *W2 = exergia in uscita* --- Una [[Ciclo termico e ciclo frigorifero|macchina frigorifera]] è un dispositivo utilizzato per trasferire calore da un ambiente a temperatura più bassa a uno a temperatura più alta. Il trasferimento, ricordando l’**enunciato di Clausius** del [[Secondo principio della Termodinamica]], non è spontaneo e diventa realizzabile soltanto in presenza di un **fenomeno di compenso**; questo può essere: - Trasformazione di lavoro in calore --> avviene nelle **macchine frigorifere a compressione** - Passaggio di un’altra quantità di calore da una temperatura più alta ad una temperatura più bassa --> avviene nelle [[Macchina frigorifera ad assorbimento|macchine ad assorbimento]] --- *Le macchine frigorifere a compressione di vapore saturo sono le più diffuse, in tutte le applicazioni dell'ingegneria civile ed industriale. Esse impiegano numerosi fluidi e ricoprono campi di potenzialità molto estesi, dalle poche centinaia di Watt dei frigoriferi domestici alle migliaia di kW di alcune applicazioni industriali.* Una macchina frigorifera a compressione di vapore saturo trasferisce calore dalla temperatura T2 della sorgente fredda alla temperatura ambiente To, essendo T2 minore di To. Questa non può avvenire spontaneamente, ma richiede il contemporaneo verificarsi di un fenomeno di compenso, il quale consiste nella trasformazione di energia meccanica in calore. ![[Pasted image 20241111151754.png|400]] Dal [[Primo principio della Termodinamica]]: $Q_1= Q_2 +L$ Il rapporto fra la quantità di calore Q2 sottratta a bassa temperatura ed il lavoro L speso nel compressore esprime il rendimento della macchina, *e viene chiamato effetto utile o coefficiente di prestazione*: $\color {orange} \xi = \frac {Q_2} {L} = \frac {Q_2}{Q_1-Q_2}$ #### Schema di funzionamento Le macchine frigorifere a compressione cercano di approssimare al meglio il [[Ciclo di Rankine inverso]], adottando come fluido di lavoro un vapore saturo. **Schema di funzionamento:** ![[Pasted image 20241111152718.png|400]] I componenti fondamentali sono quattro: - **evaporatore:** dove avviene la fase utile del ciclo, cioè la sottrazione di calore a bassa temperatura; il refrigerante evapora seguendo la trasformazione AB e sottrae il proprio calore di trasformazione al fluido esterno. - **compressore:** dove si somministra energia meccanica al fluido refrigerante. Il compressore aspira dall'evaporatore il fluido nello stato B, così che nuovo refrigerante evapora e va a sostituire quello aspirato. Il fluido aspirato è compresso adiabaticamente: se reversibile, la compressione è isoentropica ed il fluido all'uscita del - **condensatore:** è, nello schema, uno scambiatore a tubi e mantello; dal lato mantello il fluido termodinamico si desurriscalda, seguendo la C'CD, quindi condensa, seguendo la DE. Da C' ad E viene ceduto il calore Q1 al fluido esterno, che può essere acqua proveniente da una torre evaporativa, oppure l'aria atmosferica, se si impiega un condensatore ad aria. - **dispositivo di espansione:** avviene la trasformazione EA, regola il deflusso di refrigerante dal condensatore all'evaporatore, mantenendo sia la differenza di pressione (Pc - Pe), necessaria per il corretto funzionamento della macchina, sia la giusta quantità di fluido all'interno dei due scambiatori di calore #### Parametri di lavoro ##### Effetto utile Si definisce **effetto utile** di una macchina frigorifera a compressione il rapporto fra la quantità di calore Q2 sottratta a bassa temperatura ed il lavoro L speso nel compressore: $\color {orange} \xi = \frac {Q_2} {L} = \frac {Q_2}{Q_1-Q_2}$ *Per T1 → T2, la differenza Q1 - Q2 tende a zero e l’effetto utile tende ad infinito.* *Questo è il principale parametro energetico della macchina, il cui valore di solito è compreso fra 2 e 4 e dipende essenzialmente dalla natura del fluido e dalle temperature di funzionamento.* ##### Rendimento exergetico Il [[Exergia e rendimenti exergetici|rendimento exergetico]] è il rapporto fra le exergie in uscita ed in ingresso alla macchina. - L'exergia in ingresso al sistema è pari al lavoro speso nella macchina: $W_1=L$ - L'exergia in uscita dalla macchina è pari al calore Q2 sottratto a bassa temperatura, moltiplicato per il relativo [[Fattore di Carnot|fattore di Carnot]] frigorifero: $W_2=(\frac {T_0}{T_f}-1)Q_2$ *dove T_0 è la temperatura dell’ambiente esterno e Tf è la temperatura della sorgente fredda alla quale viene sottratto il calore Q2.* Si ottiene: $\color {green} \eta_{ex}=\frac {W_2}{W_1} = \frac {Q-2}L(\frac {T_0}{T_f}-1)= \xi(\frac {T_0}{T_f}-1)$ *Il rendimento exergetico varia abbastanza poco, per il ciclo base, al variare delle condizioni di funzionamento, mantenendosi nella maggioranza delle situazioni compreso in una striscia di valori che va da 0.60 a 0.65. Non essendo eccessivamente legato alle condizioni esterne, può meglio funzionare come indice di valutazione delle perdite per irreversibilità.* ##### Potenzialità frigorifera Si definisce **potenzialità frigorifera** della macchina la quantità di calore sottratta a bassa temperatura per unità di tempo: $\color{orange} Q_f=Q_2\cdot m_r /t$ *essendo:* *Q2 = calore sottratto per unità di massa di refrigerante;* *m_r = massa di refrigerante;* *t = tempo.* *gr= m_r/t = portata media di refrigerante* *La potenzialità frigorifera è un parametro fondamentale della macchina, in quanto è il parametro direttamente collegato con le funzioni che la macchina è destinata a svolgere: si misura in W o kW, tuttavia nella tecnica è ancora diffusa l'unità di misura tradizionale, la Frigoria/ora.*