Freddo dal caldo: Chiller ad assorbimento

Raffreddare col calore aumentando l'efficienza energetica. Malgrado la natura contro-intuitiva e a senso contraddittoria del principio di funzionamento – come è possibile ottenere freddo dal caldo? -, lemacchine frigorifere ad assorbimento rappresentano un'ottima alternativa a risparmio energetico ai chiller a compressione, che di contro consumano grandi quantità di energia elettrica.

Si tratta infatti di sistemi di refrigerazione e condizionamento ad efficienza energetica, che sfruttano cascami di calore di scarto, provenienti da altri processi o da pannelli solari, come nel caso del solar cooling. Soluzioni green e tanto più ecologiche in quanto non impiegano CFC, clorofluorocarburi, ma fluidi a basso impatto ambientale, rappresentando una soluzione ottimale per diminuire l'inquinamento e insiemeabbassare le emissioni di Co2, facendo un utilizzo intelligente dell'energia, riducendo il fabbisogno energetico e la domanda di elettricità legata al condizionamento e al raffreddamento, residenziale e industriale di processo.

Ma vediamo di capire come ciò sia possibile e come funzioni, a grandi linee, un chiller ad assorbimento.

Innanzitutto, l'assorbimento è un processo fisico per cui un liquido evapora assorbendo calore da ciò che lo circonda. Questo principio è posto alla base della maggior parte delle macchine frigorifere. Fatta questa premessa, ricordiamo anche che l'acqua evapora a 100° a pressione atmosferica (760 mm Hg), ma allo scendere della pressione, e in condizioni di vuoto, evapora già a temperature molto basse: ad esempio a una pressione di 6 mm Hg in un recipiente a tenuta stagna l'acqua evapora anche alla temperatura di 4°.

I chiller ad assorbimento, detti anche assorbitori, impiegano generalmente una miscela di acqua e bromuro di litio come fluido primario: le due sostanze, grazie alle loro caratteristiche fisiche peculiari, contribuiscono al ciclo di raffreddamento assicurando rispettivamente due diverse funzioni. L'acqua funge da fluido di raffreddamento nel corso del ciclo termico, mentre il bromuro di litio svolge funzione di assorbente: la soluzione di bromuro di litio ha infatti un potere fortemente assorbente, essendo in grado di assorbire il vapore acqueo circostante, creando e mantenendo in tal modo condizioni di bassa pressione.

Un refrigeratore ad assorbimento consta quindi di diverse fasi e di macchine termiche collegate tra loro, che insieme contribuiscono a fornire i fluidi alle opportune temperature e alle ottimali condizioni di pressione necessarie allo svolgersi dei diversi passaggi fisici del ciclo termico di refrigerazione ad assorbimento. Queste sono essenzialmente quattro:

• un generatore, dove entra la fonte di calore di recupero che assicura l'innescarsi del processo di refrigerazione a risparmio energetico
• un condensatore, che prende il vapore acqueo proveniente dal generatore e lo converte in acqua di raffreddamento da immettere nel passaggio successivo
• un evaporatore, che in condizioni di bassa pressione sfrutta l'acqua di raffreddamento in entrata dal condensatore per prelevare calore dall'acqua da refrigerare
• un assorbitore, costituito da una torre evaporativa in cui il vapore acqueo viene riassorbito dalla soluzione concentrata di bromuro di litio, sostanzialmente dissipando il calore asportato per refrigerare l'acqua

Schema tratto da www.maya-airconditioning.com: generazione di freddo in impianti a recupero di calore

Ed ecco come si svolge la refrigerazione ad assorbimento: all'inizio del ciclo, la soluzione di acqua e bromuro di litio viene surriscaldata nel generatore, grazie al contributo del calore di recupero, che può essere in forma di vapore, fumi, o acqua riscaldata mediante calore di scarto. Il processo di evaporazione separa l'acqua in forma di vapore ad alta temperatura, concentrando di contro la soluzione di bromuro di litio.

Il vapore acqueo ad alta temperatura proveniente dal generatore passa quindi al condensatore, dove torna allo stato liquido a contatto con le serpentine contenenti acqua raffreddata proveniente dalla torre evaporativa stessa.

L'acqua di raffreddamento così ottenuta passa quindi nell'evaporatore, che offre un ambiente a bassa pressione all'interno del quale viene spruzzata sulle serpentine contenenti il fluido da refrigerare, che entra a 14° C circa ed esce come acqua refrigerata a una temperatura di circa 7° C (questo in linea di massima, ma il salto termico così come le temperature dei fluidi nei diversi passaggi variano in dipendenza da diversi altri fattori). Le condizioni di bassa pressione nell'evaporatore infatti forzano l'acqua ad evaporare già a bassa temperatura, assorbendo e asportando calore dall'acqua da refrigerare che passa nelle serpentine.

Il vapore acqueo a bassa temperatura proveniente dall'evaporatore passa quindi all'assorbitore, dove la suatemperatura viene abbattuta dalla torre evaporativa e dove viene assorbito dalla soluzione concentrata di bromuro di litio. Il processo di assorbimento del vapore acqueo da parte della soluzione concentrata di bromuro di litio provvede inoltre a creare e mantenere le condizioni di bassa pressione tra assorbitore ed evaporatore, essenziali all'evaporazione a bassa temperatura dell'acqua di raffreddamento, processo che provvede ad abbassare la temperatura dell'acqua refrigerante in uscita dal sistema.

In parallelo a questi quattro passaggi, la soluzione di bromuro di litio concentrata proveniente dal generatore nella prima fase del ciclo viene immessa nell'assorbitore posto a termine del ciclo di refrigerazione, dove in virtù dell'aumentata concentrazione andrà a incorporare il vapore acqueo, risultante finale del processo, ricostituendo la soluzione nelle percentuali di partenza tra acqua e bromuro di litio.

La circolazione della soluzione di bromuro di litio tra generatore e assorbitore avviene tramite un sistema di pompaggio e passando per uno scambiatore di calore, in funzione di rigeneratore, posto a interfaccia tra il generatore – fase in entrata del ciclo – e l'assorbitore-torre evaporativa, fase finale del ciclo. Tale scambiatore provvede a raffreddare la soluzione concentrata in uscita dal generatore prima di immetterla nell'assorbitore, pre-riscaldando di contro la soluzione ricostituita che dall'assorbitore viene re-immessa nel generatore, aumentando così ulteriormente l'efficienza energetica del sistema.
Tutto è quindi pronto per ricominciare il ciclo.

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