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Anno Accademico 2007/08
01COVGC
Tecnica del freddo
Corso di L. Specialistica in Ingegneria Meccanica - Torino
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Tut Anni incarico
Silvi Chiara ORARIO RICEVIMENTO RC ING-IND/10 36 20 0 0 5
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/10 5 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
Obiettivi dell'insegnamento
Il corso ha lo scopo di fornire gli strumenti per la progettazione di una macchina a ciclo inverso (frigorifero o pompa di calore). A partire da un insieme di specifiche, il progettista deve saper scegliere il tipo di macchina più idonea, dimensionarla, valutarne le prestazioni e i consumi energetici, prevederne le eventuali criticità di funzionamento e l'impatto ambientale.
Competenze attese
Alla fine del corso lo studente avrà compreso il funzionamento dei tipi più diffusi di macchine a ciclo inverso (frigoriferi e pompe di calore) e ne conoscerà le caratteristiche (a seconda della tipologia, del fluido operativo, del compressore, della potenza installata, delle dimensioni, delle modalità di regolazione), le possibili applicazioni (refrigerazione commerciale e industriale, climatizzazione), le opportunità di sfruttare le fonti rinnovabili, i problemi legati all'uso dei diversi fluidi frigoriferi.
Prerequisiti
E' indispensabile avere dimestichezza con tutti gli argomenti trattati nei corsi di Termodinamica e Trasmissione del Calore.
Programma
Premesse termodinamiche.
Ripasso 1° e 2° principio della termodinamica per i sistemi aperti, equazione dell'exergia; teorema di Gouy ' Stodola; rendimenti di 1° e 2° principio di un processo; temperatura media termodinamica di trasformazione per un processo non isotermo.

Cicli inversi a compressione di vapore.
Cicli con fluido puro: ciclo di riferimento di Carnot. Espansione di Joule ' Thomson. Ciclo Rankine inverso con trafilazione isoentalpica; rappresentazione nei diagrammi T-s e p-h. Applicazioni del ciclo per una macchina frigorifera e per una pompa di calore e relative prestazioni. Applicazione del ciclo a una macchina reversibile per la climatizzazione. Cicli a doppia compressione di vapore. Cicli in cascata. Calcolo delle irreversibilità delle varie trasformazioni e rappresentazione nel diagramma T-s dei lavori persi come aree. Effetto delle cadute di pressione per attrito fluidodinamico negli scambiatori. Rappresentazione delle perdite exergetiche mediante il diagramma di Grassmann.

Fluidi frigorigeni.
Fluidi puri, miscele azeotropiche, miscele zeotropiche. Comportamento di una miscela zeotropica in cambiamento di fase: scorrimento della temperatura lungo l'isobara (slide). Ciclo con miscela zeotropica.
Caratteristiche e proprietà dei fluidi frigorigeni. Compatibilità ambientale dei derivati alogenati degli idrocarburi utilizzati come fluidi frigorigeni, espandenti, estinguenti (f-gas CFC, HCFC, HFC, Halon) e problemi legati alla loro sostituzione. Distruzione dello strato di ozono stratosferico e indice ODP. Contributo all'effetto serra antropogenico; effetti diretti e indiretti: indici GWP e TEWI.

Dispositivi di un impianto frigorifero.
Dispositivi per la laminazione del vapore. Regolazione dell'impianto frigorifero mediante valvola termostatica: accoppiamento valvola ' evaporatore.
Compressori per gli impianti di produzione del freddo: compressori aperti, ermetici, semiermetici; turbocompressori, compressori alternativi, a viti gemelle (twin screw), monovite, orbitali (scroll).
Condensatori per gli impianti di produzione del freddo. Condensatori a espansione diretta e ad acqua. Condensatori a fascio tubiero e a piastre. Condensatori evaporativi.
Evaporatori per gli impianti di produzione del freddo: evaporatori per frigoriferi domestici; evaporatori immersi e a espansione secca per impianti industriali; evaporatori per impianti di climatizzazione. Sistemi per lo sbrinamento.
Sistemi di accumulo del freddo in acqua e in ghiaccio con relative soluzioni impiantistiche.

Le macchine frigorifere ad assorbimento.
Componenti e loro funzione. Prestazioni teoricamente ottenibili. Cicli a acqua ' ammoniaca (NH3-H2O) e acqua ' bromuro di litio (H2O-LiBr): rappresentazione in diagramma p-1/T.
Analisi dei cicli NH3-H2O: proprietà dei diagrammi entalpia ' concentrazione (h-) e entropia ' concentrazione (s-). Rappresentazione delle trasformazioni della miscela NH3-H2O nei diagrammi h- e s-. Colonna di distillazione. Metodo per la determinazione grafica del numero di piatti teorici. Analisi termodinamica di 1° e 2° principio.
Realizzazioni impiantistiche di cicli ad assorbimento: macchine a semplice e doppio effetto, NH3-H2O e H2O-LiBr, a riscaldamento diretto e indiretto.

Gruppi per la climatizzazione.
La centrale frigorigena di un impianto di climatizzazione: collocazione, scelta delle macchine, strategie di controllo e regolazione.

Impianti per la refrigerazione commerciale.
La catena del freddo nella conservazione delle derrate alimentari. Raffreddamento, congelamento e surgelamento e relativi processi industriali. La cella frigorifera: caratteristiche di isolamento e cenno alla valutazione del carico termico. Refrigeratori di liquidi; produzione di ghiaccio; mobili frigoriferi.
Il trasporto delle derrate alimentari. Trasporto su rotaia, su gomma. La normativa. Trasporto di prodotti ittici congelati e refrigerati.
Programma (Prof. C. Silvi)
TECNICA DEL FREDDO

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica. Anno 2° LS.

Docente: ing. Chiara Silvi. Dipartimento di Energetica.

Impegno didattico: 36 ore di lezione, 20 di esercitazione. (5 crediti).


PROGRAMMA

Premesse termodinamiche.
Ripasso 1° e 2° principio della termodinamica per i sistemi aperti, equazione dell'exergia; teorema di Gouy ' Stodola; rendimenti di 1° e 2° principio di un processo; temperatura media termodinamica di trasformazione per un processo non isotermo.

Cicli inversi a compressione di vapore.
Cicli con fluido puro: ciclo di riferimento di Carnot. Espansione di Joule ' Thomson. Ciclo Rankine inverso con trafilazione isoentalpica; rappresentazione nei diagrammi T-s e p-h. Applicazioni del ciclo per una macchina frigorifera e per una pompa di calore e relative prestazioni. Applicazione del ciclo a una macchina reversibile per la climatizzazione. Cicli a doppia compressione di vapore. Cicli in cascata. Calcolo delle irreversibilità delle varie trasformazioni e rappresentazione nel diagramma T-s dei lavori persi come aree. Effetto delle cadute di pressione per attrito fluidodinamico negli scambiatori. Rappresentazione delle perdite exergetiche mediante il diagramma di Grassmann.

Fluidi frigorigeni.
Fluidi puri, miscele azeotropiche, miscele zeotropiche. Comportamento di una miscela zeotropica in cambiamento di fase: scorrimento della temperatura lungo l'isobara (slide). Ciclo con miscela zeotropica.
Caratteristiche e proprietà dei fluidi frigorigeni. Compatibilità ambientale dei derivati alogenati degli idrocarburi utilizzati come fluidi frigorigeni, espandenti, estinguenti (CFC, HCFC, HFC, Halon) e problemi legati alla loro sostituzione. Distruzione dello strato di ozono stratosferico e indice ODP. Contributo all'effetto serra antropogenico; effetti diretti e indiretti: indici GWP e TEWI.

Dispositivi di un impianto frigorifero.
Dispositivi per la laminazione del vapore. Regolazione dell'impianto frigorifero mediante valvola termostatica: accoppiamento valvola ' evaporatore.
Compressori per gli impianti di produzione del freddo: compressori aperti, ermetici, semiermetici; turbocompressori, compressori alternativi, a viti gemelle (twin screw), monovite, orbitali (scroll).
Condensatori per gli impianti di produzione del freddo. Condensatori a espansione diretta e ad acqua. Condensatori a fascio tubiero e a piastre. Condensatori evaporativi.
Evaporatori per gli impianti di produzione del freddo: evaporatori per frigoriferi domestici; evaporatori immersi e a espansione secca per impianti industriali; evaporatori per impianti di climatizzazione. Sistemi per lo sbrinamento.
Sistemi di accumulo del freddo in acqua e in ghiaccio con relative soluzioni impiantistiche.

Le macchine frigorifere ad assorbimento.
Componenti e loro funzione. Prestazioni teoricamente ottenibili. Cicli a acqua ' ammoniaca (NH3-H2O) e acqua ' bromuro di litio (H2O-LiBr): rappresentazione in diagramma p-1/T.
Analisi dei cicli NH3-H2O: proprietà dei diagrammi entalpia ' concentrazione (h-) e entropia ' concentrazione (s-). Rappresentazione delle trasformazioni della miscela NH3-H2O nei diagrammi h- e s-. Colonna di distillazione. Metodo per la determinazione grafica del numero di piatti teorici. Analisi termodinamica di 1° e 2° principio.
Realizzazioni impiantistiche di cicli ad assorbimento: macchine a semplice e doppio effetto, NH3-H2O e H2O-LiBr, a riscaldamento diretto e indiretto.

Sistemi di accumulo del freddo.
Problematiche legate al sistema di tariffazione elettrica.
Accumulo completo e accumulo parziale. Accumulo in acqua: sistemi di tipo miscelato e non miscelato. Realizzazioni impiantistiche.
Gruppi per la climatizzazione.
La centrale frigorigena di un impianto di climatizzazione: collocazione, scelta delle macchine, strategie di controllo e regolazione

Impianti per la refrigerazione commerciale.
La catena del freddo nella conservazione delle derrate alimentari. Raffreddamento, congelamento e surgelamento e relativi processi industriali. La cella frigorifera: caratteristiche di isolamento e cenno alla valutazione del carico termico. Refrigeratori di liquidi; produzione di ghiaccio; mobili frigoriferi.
Il trasporto delle derrate alimentari. Trasporto su rotaia, su gomma. La normativa. Trasporto di prodotti ittici congelati e refrigerati.

Esercitazioni.
Studio di un ciclo a semplice compressione di vapore. Analisi di 1° e 2° principio. Confronto delle prestazioni ottenibili con diversi fluidi refrigeranti (R-22, R-134a, R-410a).
Studio di un ciclo NH3-H2O. Analisi di 1° e 2° principio. Determinazione del numero di piatti teorici.
Dimensionamento di un gruppo frigo con accumulo in ghiaccio. Determinazione del volume del serbatoio.
Studio di un ciclo Claude per la liquefazione dell'aria. Applicazione per la criorefrigerazione.

Prerequisiti.
Fisica Tecnica

Esame.
L'esame consiste in un colloquio orale.



BIBLIOGRAFIA

LIBRI
Alfano G., Filippi M., Sacchi E.; Impianti di climatizzazione per l'edilizia; Masson, 1997.
Bejan A.; Advanced Engineering Thermodynamics; Wiley, 1997.
Rapin P.J.; Impianti frigoriferi; Tecniche Nuove, 1998.
Rapin P., Jacquard P.; Prontuario del freddo; Hoepli, 1998.
Bonauguri E., Miari, D.; Tecnica del freddo; Hoepli, 1977.
ASHRAE Handbook ' Fundamentals ' 2001.
ASHRAE Handbook ' Refrigeration ' 2002.

RIVISTE
International Journal of Refrigeration ' Révue Internationale du Froid (biblioteca DENER)
Bulletin of the International Institute of Refrigeration - de l'Institut International du Froid (biblioteca DENER)
Il Freddo (biblioteca DENER)
CdA ' Condizionamento dell'Aria, Riscaldamento , Refrigerazione (biblioteca DENER)
Atti convegni AICARR (ufficio Silvi)





Laboratori e/o esercitazioni
Macchina frigorifera a compressione di vapore (ciclo semplice). Analisi di 1° e 2° principio. Confronto delle prestazioni ottenibili con diversi fluidi refrigeranti (R-22, R-134a, R-410A).
Macchina frigorifera a doppia compressione di vapore.
Macchina frigorifera con due cicli in cascata.
Macchina frigorifera ad assorbimento (ciclo NH3-H2O). Analisi di 1° e 2° principio. Determinazione del numero di piatti teorici.
Bibliografia
Alfano G., Filippi M., Sacchi E.; Impianti di climatizzazione per l'edilizia; Masson, 1997.
Bejan A.; Advanced Engineering Thermodynamics; Wiley, 1997.
Rapin P.J.; Impianti frigoriferi; Tecniche Nuove, 1998.
Rapin P., Jacquard P.; Prontuario del freddo; Hoepli, 1998.
Bonauguri E., Miari, D.; Tecnica del freddo; Hoepli, 1977.
ASHRAE Handbook ' Fundamentals.
ASHRAE Handbook ' Refrigeration.
Boeche A., Cavallini A., Del Giudice S.; Problemi di Termodinamica Applicata; Cleup, 1994.
Controlli dell'apprendimento / Modalità d'esame
L'esame consiste in un colloquio orale.
Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami

Programma definitivo per l'A.A.2007/08
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