The research work aimed at individuating the main heat transfer and thermodynamic phenomena, at the basis of operation of refrigerating machines. Absorption machines were particularly analised, and design modifications and adaptations/improvements of schemes presently adopted were suggested. The final objective was to attain to the design of machines characterised by higher performance, lower specific energy consumption and higher reliability. Firstly, a bibliographical search was performed, regarding in particular the proceedings of recent conferences on climatisation. Still open technological and scientific problems were individuated. At present, absorption machines for refrigeration or air conditioning are again calling attention from a scientific and industrial point of view, after a period in which vapour compression systems were considered the best owing to their higher energy efficiency. Indeed, a favourable energy policy emerged recently, both in Italy and in other countries, directed to promote through incentives the exploitation of waste heat available for cogeneration purposes. As regards our country, other incentives were added, promoting the utilisation of natural gas as primary energy source. Both circumstances stimulate the use of absorption refrigerating machines. In the particular case of direct-fired machines for summer air conditioning, they can contribute to reduce the seasonal imbalance of fuel consumption. Another reason that led to this new attention is the larger and larger sensitivity to environmental problems. Absorption machines can operate with environmental-safe fluids, some of which have indeed a GWP (Greenhouse Warming Potential) index equal to zero. They can be fuelled by methane, with reduced polluting emissions with respect to other fuels, or can be supplied with waste heat or solar energy. Therefore, they respect the most important requirements of environmental protection. Moreover, the results of recent researches on absorption refrigerating machines led to reduce the gap between the efficiency of an absorption cycle and that of a vapour compression cycle with the same cooling effect. For this reason it was essential to proceed with a preliminary study of various thermodynamic cycles and with a comparison among them. The aim was to individuate some aspects susceptible of improvement, from a point of view of both the machine lay-out and the structure of each single component. The choice of the appropriate refrigerant-absorbent fluid pair is an important aspect that was adequately analysed. The refrigerant-absorbent pairs experimented up to today were compared one to the other. In particular the following pairs were examined: ammonia-salts, methylammine-salts, alchools-salts, ammonia-organic solvents, sulfure dioxide-organic solvents, halogenated hydrocarbons-organic solvents. Among the various pairs, the most common ones were studied in depth: lithium bromide-water and water-ammonia. The investigation put in evidence the differences among one layout and another, arising from the use of different fluids. For each main component of absorption refrigerating machines the various possible tipologies were examined, saving attention particularly for innovative solutions. Then the various tipologies were compared on the basis of functional efficiency, keeping certain conditions fixed, or, better, considering the component integrated in a fixed thermodynamic cycle. To perform such evaluations, the thermal-fluid dynamic phenomena involved in the operation of refrigerating machines were previously classified and analysed. Particular attention was paid to heat transfer phenomena and to the conditions in which they take place. Several theoretical-experimental correlations for the interpretation of these phenomena are available in the literature. Among them, the more suitable were chosen to be used in a set of reliable software tools that allow the simulation of the whole thermodynamic cycle and of any single component of the absorption machine. These tools allow also to evaluate the influence of the external (ambient) conditions on machine performance. This is very important, especially for the evaluation of the seasonal output of a refrigerating machine. The influence of external conditions is particularly relevant for small size machines that are generally not equipped with control systems, because of their cost. Together with calculations, an experimental activity was performed on a small/medium size, direct fired machine of industrial production. The working fluids were water and ammonia, and the fuel was methane. The experiments allowed to acquire a huge amount of information on the thermodynamic cycle of the machine tested, and on the effects of different layouts on the cycle itself. The machine was entirely equipped with instruments. In a first phase the integrity of the structure was safeguarded, aiming at assessing the performance and, above all, at verifying the reliability of the software tools. In fact, the latter could be used to design machines with different characteristics. The experimental data (pressures, temperatures, etc. in different points of the circuit) confirmed the calculated results with a satisfactory agreement and put in evidence some characteristics of the machine that are susceptible of improvement. In particular, an increased efficiency of some components of these machines should have a positive effect on the COP (Coefficient Of Performance) . This consideration drove to a more in depth study of their features. This study was performed on one hand, stripping down the machine and analysing each single piece (the structural integrity was no longer necessary); on the other, analysing alternative solutions theoretically, by means of the flexible and versatile software tools already set up. It can be observed that in general the components of the absorption refrigerating machines today on the market do not show really original or innovative aspects: many of them are shaped exactly like the analogous components of compression systems (evaporators, condensers) or they imitate those used in the food and chemical industry. In the past, the strongest efforts were made to explore all the possibilities of regenerative heat exchange that the cycle can offer, and on this side a quite satisfactory degree of knowledge has been achieved. These studies had repercussions especially on the layout and on the flow path of the machine. Many possibilities of improving efficiency are offered, indeed, by the optimisation of the components. Generally those components peculiar of absorption machines, like the generator and the absorber, are indeed the most “critical” ones, even if other components having a “standard” function are sometimes provided with special features because of the nature of the working fluids (e. g. the evaporator with a storage tank for the solution). It was concluded that, in the particular case of the machine examined, an improvement of the efficiency cannot be achieved by maintaining the same shape of components, but a radical change must be made. It can be also observed that some fundamental components of the machine analysed, like the generator and the solution heat exchanger, performing the most complex functions , show a satisfactory degree of efficiency if operated at design conditions. However, their features are not optimised for part-load operation and transients, causing a strong decay of overall performance. Moreover, all the components of the machine are quite bulky. Other problems can be cited, in particular those related to manufacturing. Expensive procedures like welding, extensively used for commercial machines, should be avoided, choosing a simple assembly of standard components. This is not always possible for water-ammonia systems, owing to the high pressures and high corrosion potential of the mixture. Other important aspects are related to the small size and low cost of the devices and to the easy emptying and refilling of the system. In particular, the aspect of safety has a great importance for the generator, since ammonia is a dangerous substance. The only moving part, the solution pump, is indeed delicate from the point of view of resistance to wear and duration. In fact, it works under severe conditions, because of the presence of the chemical weapon and of the low inlet pressure. Finally, handling is another delicate aspect. In some cases a different distribution of liquid quantities in the machine, due to careless manipulation, can even prevent the machine from starting. Only a complete emptying with subsequent refilling of the mixture can allow the machine to start again. This is a very important aspect to be taken into account. The analysis and solution of the problems shortly described here were the objective of the last period of the research activity and led to some design proposals, aiming at improving both performance and other important aspects like reduced size, safety, duration, reliability, low cost. Therefore, the work carried out offers a large number of starting points for developing innovative solutions, characterised by a better efficiency with respect to the traditional ones. In this way absorption machines might be more and more competitive in the sector of refrigerating devices.

Il lavoro svolto ha avuto come obbiettivo l'acquisizione delle principali fenomenologie di scambio termico e termodinamiche che sono alla base del funzionamento delle macchine frigorifere, con particolare riferimento alle macchine ad assorbimento, con il fine di formulare proposte di interventi progettuali di modifica, adattamento e/o miglioramento di schemi di macchine attualmente utilizzate e pervenire al progetto di macchine con più elevate prestazioni, minori consumi energetici specifici e maggiore affidabilità di funzionamento. In primo luogo è stata svolta una ricerca bibliografica, indirizzata in particolare ai risultati di recenti convegni sulla climatizzazione degli ambienti, che ha permesso di individuare le problematiche tecnico-scientifiche ancora aperte. Le macchine ad assorbimento per scopi di refrigerazione o condizionamento dell'aria sono attualmente oggetto di rinnovata attenzione sotto il profilo scientifico ed industriale, dopo un periodo durante il quale l'attenzione è stata rivolta soprattutto alle macchine a compressione, caratterizzate da un'efficienza energetica maggiore. Negli ultimi anni, infatti, si è andata delineando, sia in Italia che in molti altri Paesi, una politica energetica di incentivo allo sfruttamento del calore di scarto disponibile a scopi cogenerativi. Nel caso del nostro Paese, si è aggiunto un incentivo all'impiego del gas naturale come fonte energetica primaria. Entrambe le circostanze costituiscono uno stimolo all'utilizzazione delle macchine frigorifere ad assorbimento. Per quanto riguarda il caso particolare delle macchine a fiamma diretta, impiegate per il condizionamento estivo, esse possono anche contribuire a ridurre lo squilibrio stagionale oggi esistente nei consumi di gas. Altro motivo che ha portato alla suddetta rinnovata attenzione è la sempre maggiore sensibilità al problema ambientale: le macchine ad assorbimento possono funzionare con fluidi non pericolosi per l'ambiente, alcuni, in particolare, dotati di indice GWP (Greenhouse Warming Potential) addirittura nullo, e possono essere alimentate a metano, con emissioni inquinanti di livello contenuto rispetto ad altri combustibili, o addirittura con calore di scarto o con energia solare. Esse rispettano, quindi, i più importanti requisiti di salvaguardia ambientale. I risultati delle ricerche condotte nei tempi più recenti sulle macchine frigorifere ad assorbimento, inoltre, hanno portato a ridurre il divario tra l'efficienza di un ciclo ad assorbimento e quella di un ciclo a compressione che fornisca lo stesso effetto utile (quantità di calore asportata). Questa circostanza ha reso indispensabile procedere ad uno studio preliminare dei vari cicli termodinamici e ad un loro confronto, ai fini dell’individuazione di aspetti suscettibili di innovazione, sia dal punto di vista della disposizione impiantistica, sia, per i singoli componenti, dal punto di vista costruttivo. L’aspetto della scelta della coppia di sostanze refrigerante-assorbente da utilizzare nella macchina è stato adeguatamente approfondito. Sono state confrontate fra loro le coppie refrigerante-assorbente fino ad oggi sperimentate nelle macchine ad assorbimento, in particolare le coppie: ammoniaca-sali, metilammina-sali, alcoli-sali, ammoniaca-solventi organici, diossido di zolfo-solventi organici, idrocarburi alogenati-solventi organici. Tra le varie coppie, sono state scelte per un approfondimento quelle attualmente più diffuse: la coppia bromuro di litio-acqua e quella acqua-ammoniaca. Lo studio ha consentito di individuare le differenze nella scelta di una soluzione impiantistica o di un'altra, derivanti dall'impiego dell'una o dell'altra sostanza. Di ciascun componente principale delle macchine frigorifere ad assorbimento sono state passate in rassegna le possibili tipologie di realizzazione, con particolare attenzione alle soluzioni innovative. Si è quindi condotto un raffronto fra le varie tipologie sulla base dell'efficienza funzionale, fissando determinate condizioni, ovvero inserendo il componente in un ciclo termodinamico prestabilito. Per poter effettuare questo genere di valutazioni sono state preliminarmente catalogate ed analizzate le fenomenologie termofluidodinamiche coinvolte nel funzionamento delle macchine frigorifere, ponendo particolare attenzione ai fenomeni di scambio termico ed alle condizioni operative in cui essi avvengono. Per l'interpretazione di questi fenomeni sono disponibili in letteratura svariate correlazioni teorico-sperimentali, fra le quali sono state individuate quelle più attendibili, ai fini della loro utilizzazione per la messa a punto di una serie di affidabili strumenti di calcolo che consentono la simulazione del ciclo termodinamico nel suo complesso e - sulla base delle correlazioni selezionate - permettono di condurre l'analisi completa di ogni singolo componente delle macchine ad assorbimento. Tali strumenti permettono anche di valutare l'influenza delle condizioni esterne sulle prestazioni della macchina, aspetto di particolare rilievo quando si desidera valutare la resa stagionale di una macchina frigorifera. Questa influenza è particolarmente sentita nelle macchine di taglia più piccola, che sono generalmente prive, per ragioni di ordine economico, di sistemi di regolazione. Parallelamente all'attività di calcolo è stata svolta un'attività di analisi sperimentale su di una macchina di produzione industriale di taglia medio-piccola funzionante con un ciclo ad acqua-ammoniaca, alimentata a fiamma diretta con gas metano. La campagna di prove sperimentali ha consentito di acquisire una notevole mole di informazioni sulle caratteristiche termodinamiche del ciclo realizzato nella macchina di diffusione commerciale esaminata, e sull'effetto che hanno su di esse le diverse scelte costruttive. La macchina è stata interamente strumentata, salvaguardandone però, in una prima fase, l'integrità strutturale, al fine non solo di verificarne le prestazioni, ma - soprattutto - di saggiare l'affidabilità degli strumenti informatici in vista di una loro utilizzazione per il progetto di massima di macchine di differenti caratteristiche. I dati sperimentali (pressioni, temperature, in vari punti del ciclo) hanno confermato con sufficiente precisione i risultati della simulazione ed hanno messo in evidenza alcune caratteristiche della macchina in questione che sono suscettibili di miglioramento. In particolare, il miglioramento in termini di efficienza di alcuni componenti della macchina avrebbe un'influenza positiva sul COP (Coefficient Of Performance) , considerazione che ha stimolato uno studio più approfondito della loro conformazione. Tale studio è stato condotto su due fronti: da un lato, non essendo più indispensabile l'integrità strutturale della macchina, sono stati smontati alcuni pezzi ed esaminati singolarmente, dall'altro sono state analizzate in via teorica soluzioni alternative, servendosi ancora, nella maggior parte dei casi, degli strumenti di calcolo messi a punto, data la loro versatilità e flessibilità. Si può osservare che, in generale, i componenti delle macchine frigorifere ad assorbimento ad acqua-ammoniaca oggi in commercio non presentano aspetti particolarmente originali o innovativi: molti di essi sono conformati esattamente come gli analoghi componenti delle macchine a compressione (evaporatori, condensatori) oppure sono "presi a prestito" dall'industria chimica e alimentare. Gli sforzi maggiori sono stati fatti, in passato, per esplorare tutte le possibilità di scambi termici rigenerativi che il ciclo può offrire, e su questo versante è stato raggiunto un grado di conoscenza molto elevato. Questi studi hanno avuto un riflesso soprattutto sulla disposizione dei vari componenti della macchina e sul percorso dei fluidi all'interno della macchina stessa. Molte possibilità di miglioramento dell'efficienza di queste macchine sono offerte, invece, dall'ottimizzazione dei componenti. Fra questi, i più "critici" sono generalmente proprio quelli peculiari della macchine ad assorbimento, come il generatore e l'assorbitore, anche se altri, che hanno una funzione "standard", sono a volte dotati di qualche particolarità a causa della natura dei fluidi circolanti (come l'evaporatore che è interessato da un accumulo di soluzione). Si è potuto concludere che nel caso particolare della macchina esaminata un miglioramento dell'efficienza non appare realizzabile, per la maggior parte dei componenti, mantenendone la forma costruttiva, ma ricorrendo a soluzioni impiantistiche di tipo radicalmente differente. Si può inoltre osservare, sempre a proposito della macchina in esame, che alcuni componenti fondamentali, come il generatore e il preassorbitore-scambiatore delle soluzioni, che presentano una maggiore complessità di funzioni , hanno un livello di efficienza soddisfacente nel funzionamento a regime. Così conformati, essi non sono però adatti al funzionamento a carico parziale, né dànno buoni risultati durante i transitori, producendo un notevole decadimento delle prestazioni della macchina. A ciò si aggiungono i problemi di ingombro, comuni anche agli altri componenti, nei quali avviene il solo scambio termico. Si possono anche citare i problemi costruttivi: grande attenzione va posta nell'evitare l'uso di procedimenti molto costosi come la saldatura (oggi molto diffusa nelle macchine in commercio), mentre sono da preferire componenti di fabbricazione standardizzata che possano essere semplicemente assemblati. Ciò non è sempre possibile nelle macchine ad acqua-ammoniaca, a causa della presenza di recipienti in pressione e dell'aggressività dell'ammoniaca. Aspetti molto importanti sono anche quelli della compattezza e del basso costo dei dispositivi e della facilità di svuotamento e reintegro della miscela frigorigena. In particolare per il generatore ha molta importanza anche l'aspetto della sicurezza, data la pericolosità dell'ammoniaca. L'unico organo in movimento, la pompa della soluzione, è invece delicato dal punto di vista della resistenza all'usura e della durata, in condizioni di funzionamento piuttosto severe a causa dell'aggressività del fluido e delle esigue pressioni d'aspirazione. Il problema del trasporto, infine, è di estrema delicatezza, poiché in taluni casi una diversa distribuzione delle quantità di liquido presenti nelle varie capacità della macchina, determinata da una manipolazione disattenta della macchina stessa, può addirittura impedirne l'avviamento. Soltanto uno svuotamento totale con successiva ricarica della miscela può consentire nuovamente il funzionamento. Questo è un aspetto sul quale è senz'altro utile porre l'attenzione. L'analisi e la risoluzione delle problematiche qui sinteticamente richiamate hanno costituito l'oggetto di studio dell'ultimo periodo di ricerca ed hanno portato ad alcune proposte progettuali, ai fini sia di un miglioramento delle prestazioni, che di un miglioramento di altri aspetti importanti, come la compattezza, la sicurezza, la durata, l'affidabilità, il basso costo. Il lavoro svolto, per l'ampiezza degli spunti offerti, vuole quindi proporsi come base di partenza per lo sviluppo di soluzioni innovative, che realizzino un risparmio energetico rispetto alle soluzioni tradizionali, e che rendano le macchine ad assorbimento sempre più competitive nei riguardi delle altre macchine frigorifere.

Aspetti termodinamici e di scambio termico nel funzionamento delle macchine frigorifere ad assorbimento - Possibilità di sviluppo di macchine innovative ad acqua ammoniaca / Boccaletti, Chiara. - STAMPA. - (1995).

Aspetti termodinamici e di scambio termico nel funzionamento delle macchine frigorifere ad assorbimento - Possibilità di sviluppo di macchine innovative ad acqua ammoniaca

BOCCALETTI, Chiara
01/01/1995

Abstract

The research work aimed at individuating the main heat transfer and thermodynamic phenomena, at the basis of operation of refrigerating machines. Absorption machines were particularly analised, and design modifications and adaptations/improvements of schemes presently adopted were suggested. The final objective was to attain to the design of machines characterised by higher performance, lower specific energy consumption and higher reliability. Firstly, a bibliographical search was performed, regarding in particular the proceedings of recent conferences on climatisation. Still open technological and scientific problems were individuated. At present, absorption machines for refrigeration or air conditioning are again calling attention from a scientific and industrial point of view, after a period in which vapour compression systems were considered the best owing to their higher energy efficiency. Indeed, a favourable energy policy emerged recently, both in Italy and in other countries, directed to promote through incentives the exploitation of waste heat available for cogeneration purposes. As regards our country, other incentives were added, promoting the utilisation of natural gas as primary energy source. Both circumstances stimulate the use of absorption refrigerating machines. In the particular case of direct-fired machines for summer air conditioning, they can contribute to reduce the seasonal imbalance of fuel consumption. Another reason that led to this new attention is the larger and larger sensitivity to environmental problems. Absorption machines can operate with environmental-safe fluids, some of which have indeed a GWP (Greenhouse Warming Potential) index equal to zero. They can be fuelled by methane, with reduced polluting emissions with respect to other fuels, or can be supplied with waste heat or solar energy. Therefore, they respect the most important requirements of environmental protection. Moreover, the results of recent researches on absorption refrigerating machines led to reduce the gap between the efficiency of an absorption cycle and that of a vapour compression cycle with the same cooling effect. For this reason it was essential to proceed with a preliminary study of various thermodynamic cycles and with a comparison among them. The aim was to individuate some aspects susceptible of improvement, from a point of view of both the machine lay-out and the structure of each single component. The choice of the appropriate refrigerant-absorbent fluid pair is an important aspect that was adequately analysed. The refrigerant-absorbent pairs experimented up to today were compared one to the other. In particular the following pairs were examined: ammonia-salts, methylammine-salts, alchools-salts, ammonia-organic solvents, sulfure dioxide-organic solvents, halogenated hydrocarbons-organic solvents. Among the various pairs, the most common ones were studied in depth: lithium bromide-water and water-ammonia. The investigation put in evidence the differences among one layout and another, arising from the use of different fluids. For each main component of absorption refrigerating machines the various possible tipologies were examined, saving attention particularly for innovative solutions. Then the various tipologies were compared on the basis of functional efficiency, keeping certain conditions fixed, or, better, considering the component integrated in a fixed thermodynamic cycle. To perform such evaluations, the thermal-fluid dynamic phenomena involved in the operation of refrigerating machines were previously classified and analysed. Particular attention was paid to heat transfer phenomena and to the conditions in which they take place. Several theoretical-experimental correlations for the interpretation of these phenomena are available in the literature. Among them, the more suitable were chosen to be used in a set of reliable software tools that allow the simulation of the whole thermodynamic cycle and of any single component of the absorption machine. These tools allow also to evaluate the influence of the external (ambient) conditions on machine performance. This is very important, especially for the evaluation of the seasonal output of a refrigerating machine. The influence of external conditions is particularly relevant for small size machines that are generally not equipped with control systems, because of their cost. Together with calculations, an experimental activity was performed on a small/medium size, direct fired machine of industrial production. The working fluids were water and ammonia, and the fuel was methane. The experiments allowed to acquire a huge amount of information on the thermodynamic cycle of the machine tested, and on the effects of different layouts on the cycle itself. The machine was entirely equipped with instruments. In a first phase the integrity of the structure was safeguarded, aiming at assessing the performance and, above all, at verifying the reliability of the software tools. In fact, the latter could be used to design machines with different characteristics. The experimental data (pressures, temperatures, etc. in different points of the circuit) confirmed the calculated results with a satisfactory agreement and put in evidence some characteristics of the machine that are susceptible of improvement. In particular, an increased efficiency of some components of these machines should have a positive effect on the COP (Coefficient Of Performance) . This consideration drove to a more in depth study of their features. This study was performed on one hand, stripping down the machine and analysing each single piece (the structural integrity was no longer necessary); on the other, analysing alternative solutions theoretically, by means of the flexible and versatile software tools already set up. It can be observed that in general the components of the absorption refrigerating machines today on the market do not show really original or innovative aspects: many of them are shaped exactly like the analogous components of compression systems (evaporators, condensers) or they imitate those used in the food and chemical industry. In the past, the strongest efforts were made to explore all the possibilities of regenerative heat exchange that the cycle can offer, and on this side a quite satisfactory degree of knowledge has been achieved. These studies had repercussions especially on the layout and on the flow path of the machine. Many possibilities of improving efficiency are offered, indeed, by the optimisation of the components. Generally those components peculiar of absorption machines, like the generator and the absorber, are indeed the most “critical” ones, even if other components having a “standard” function are sometimes provided with special features because of the nature of the working fluids (e. g. the evaporator with a storage tank for the solution). It was concluded that, in the particular case of the machine examined, an improvement of the efficiency cannot be achieved by maintaining the same shape of components, but a radical change must be made. It can be also observed that some fundamental components of the machine analysed, like the generator and the solution heat exchanger, performing the most complex functions , show a satisfactory degree of efficiency if operated at design conditions. However, their features are not optimised for part-load operation and transients, causing a strong decay of overall performance. Moreover, all the components of the machine are quite bulky. Other problems can be cited, in particular those related to manufacturing. Expensive procedures like welding, extensively used for commercial machines, should be avoided, choosing a simple assembly of standard components. This is not always possible for water-ammonia systems, owing to the high pressures and high corrosion potential of the mixture. Other important aspects are related to the small size and low cost of the devices and to the easy emptying and refilling of the system. In particular, the aspect of safety has a great importance for the generator, since ammonia is a dangerous substance. The only moving part, the solution pump, is indeed delicate from the point of view of resistance to wear and duration. In fact, it works under severe conditions, because of the presence of the chemical weapon and of the low inlet pressure. Finally, handling is another delicate aspect. In some cases a different distribution of liquid quantities in the machine, due to careless manipulation, can even prevent the machine from starting. Only a complete emptying with subsequent refilling of the mixture can allow the machine to start again. This is a very important aspect to be taken into account. The analysis and solution of the problems shortly described here were the objective of the last period of the research activity and led to some design proposals, aiming at improving both performance and other important aspects like reduced size, safety, duration, reliability, low cost. Therefore, the work carried out offers a large number of starting points for developing innovative solutions, characterised by a better efficiency with respect to the traditional ones. In this way absorption machines might be more and more competitive in the sector of refrigerating devices.
1995
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