Gruppi ad Assorbimento

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DYNAMIS SRL - IBTGROUP SRL  - MAYA SPA - SYSTEMA SPA

 

La generazione di freddo e/o caldo per climatizzazione o per altre applicazioni può essere effettuata a partire da impianti frigoriferi ad assorbimento, in cui l’effetto utile è ottenuto grazie a energia termica fornita ad un opportuno livello di temperatura.

Secondo la tipologia di macchina si possono distinguere:

Macchine a fiamma diretta (o ad alimentazione diretta), in cui la sorgente termica è costituita da un combustibile (nella maggior parte dei casi gas naturale, o in alternativa GPL, biomasse o altri combustibili) che viene bruciato direttamente nella macchina.
Macchine in cui la sorgente termica è un fluido termovettore (acqua, olio diatermico, fumi caldi, vapore) fornito al livello termico opportuno (macchine ad alimentazione indiretta)

Nel caso di macchine ad alimentazione indiretta si possono ulteriormente distinguere gli impianti in base alla provenienza dell’energia termica che alimenta la macchina:
energia termica prodotta da cascami termici (es. recuperi termici da processi industriali) o da energie rinnovabili (es. energia solare termica, calore geotermico);
energia termica cogenerata da un motore primo (il fluido termovettore può essere costituito da acqua, in fase liquida o vapore, olio diatermico oppure da fumi caldi prodotti dal cogeneratore)

La macchine ad assorbimento a fiamma diretta, con alimentazione a gas naturale (o anche GPL), vengono tradizionalmente impiegate in applicazioni dove è richiesta alta affidabilità e continuità del servizio anche in caso di black-out elettrico. L’applicazione massiccia dei modelli a fiamma diretta nell’ambito della climatizzazione estiva degli edifici offrirebbe il vantaggio di ridurre le richieste sulla rete elettrica nazionale, con benefici in termini di costi di distribuzione e di affidabilità del sistema, portando nel contempo ad un maggior utilizzo della rete di distribuzione del gas anche nei mesi estivi.

Esistono inoltre modelli recenti di macchine a fiamma diretta in configurazione pompa di calore, adatte alla climatizzazione invernale (e produzione di acqua calda sanitaria), che conseguono rendimenti significativamente più elevati delle tradizionali caldaie a gas, soprattutto in abbinamento a impianti di distribuzione del calore a bassa temperatura e a sorgenti geotermiche.

Oltre all’alimentazione a metano e GPL esistono anche modelli adatti a funzionare con biogas o pellets da biomassa legnosa.

Le macchine ad assorbimento alimentate da un fluido termovettore sono oggetto di un rinnovato interesse, perché consentono di essere alimentate con qualsiasi di tipo di sorgente termica, compreso il calore di scarto da un processo industriale, le energie rinnovabili o il calore recuperato da un cogeneratore. In quest’ultimo caso i frigoriferi ad assorbimento consentono di estendere il funzionamento del cogeneratore anche ai mesi estivi, aumentandone il fattore di utilizzo, la redditività e il rendimento globale (più propriamente si parla di impianti di trigenerazione).

Da ultimo queste macchine costituiscono un’alternativa ai gruppi a compressione di vapore, quindi all’uso dei fluidi frigorigeni basati sugli idrocarburi alogenati, con benefici ambientali rispetto alle problematiche di impatto sull’effetto serra e di smaltimento e riciclaggio tipiche dei fluidi frigorigeni.

Principio di funzionamento

Le macchine ad assorbimento  sono macchine frigorifere che sfruttano la solubilità e l’elevata affinità di due sostanze, di cui una funge da refrigerante e l’altra da assorbente, per realizzare un ciclo in cui l’introduzione di energia avviene prevalentemente sotto forma di calore. 

Le combinazioni refrigerante/assorbente affermatesi commercialmente sono due:

1) Bromuro di litio e acqua: H2O - LiBr, dove l’acqua opera da refrigerante;

2) Ammoniaca e acqua: NH3 – H2O, dove il refrigerante è l’ammoniaca.

Dal punto di vista termodinamico il ciclo frigorifero lavora con tre sorgenti termiche: la sorgente fredda si trova alla temperatura più bassa ed è costituita dall’ambiente da raffreddare (nel caso di funzionamento come pompa di calore è l’ambiente esterno); il pozzo caldo, nel quale viene scaricato il calore, è l’ambiente esterno e si trova a temperatura intermedia (nel caso di pompa di calore è l’ambiente da riscaldare); infine, attraverso la sorgente a più alta temperatura viene introdotto il calore in ingresso al ciclo (fiamma, fluido termovettore caldo).

Immagine Climgas Gruppi

La parte a bassa pressione della macchina è costituita dall’evaporatore e dall’assorbitore, separati termicamente ma posti in comunicazione tra loro. Nell’evaporatore si trova una soluzione ricca di refrigerante, che evapora asportando calore alla sorgente fredda (l’effetto utile se si tratta di un impianto frigorifero); il refrigerante evaporato viene “assorbito” dalla soluzione ricca di sostanza assorbente presente nell’assorbitore, in quanto il refrigerante in soluzione ha una tensione superficiale minore della pressione nell’evaporatore. In questo modo è resa possibile l’evaporazione di un’ulteriore quantità di refrigerante, senza che aumenti la pressione nell’evaporatore che inibirebbe l’assorbimento di ulteriore refrigerante gassoso. È necessario contrastare la progressiva diluizione della soluzione da parte del refrigerante, asportando con una pompa la miscela ottenuta nell’assorbitore e trattandola in maniera opportuna. Il compito della pompa, oltre a vincere le perdite di carico nel circuito, è quello di innalzare la pressione del fluido fino al valore massimo del ciclo, inviandolo ad un componente denominato generatore (o desorbitore). Nel generatore viene fornito calore al livello termico opportuno in modo da far evaporare il refrigerante presente nella soluzione.

Come sorgente termica ad alta temperatura nel generatore è possibile utilizzare il calore generato da una combustione (macchina a fiamma diretta), o in alternativa il calore proveniente da un’altra fonte, per esempio quello cogenerato da un motore primo, che viene trasferito al fluido del generatore mediante uno scambiatore di calore e un opportuno fluido termovettore (acqua, vapore, olio diatermico, fumi) e allora si parla di macchina ad alimentazione indiretta.

Il refrigerante evaporato viene prima condensato, cedendo calore alla sorgente a temperatura intermedia (l’ambiente esterno nel caso del ciclo frigorifero) e poi espanso attraverso una valvola di laminazione per rientrare nell’evaporatore e riprendere il ciclo. 

La soluzione ricca di sostanza assorbente prodotta dal generatore viene anch’essa laminata per ritornare nell’assorbitore e ripristinare la concentrazione corretta della soluzione. In pratica sono necessarie due pressioni diverse: una più alta per il gruppo generatore-condensatore, in modo che il fluido si trovi a condensare a una temperatura tale da cedere calore all’ambiente esterno (all’ambiente interno se funziona in pompa di calore), ed una più bassa nel gruppo assorbitore-evaporatore, per poter asportare calore mediante evaporazione dalla sorgente interna (l’ambiente esterno per la pompa di calore).

Per migliorare le prestazioni della macchina vi è poi uno scambiatore rigenerativo posto tra la soluzione concentrata in uscita dal generatore (ricca di assorbente) e quella diluita proveniente dall’assorbitore: si ottiene in questo modo il preriscaldo del liquido da inviare al generatore, con evidente risparmio di calore introdotto, ottenendo nel contempo il raffreddamento della soluzione in ingresso all’assorbitore, con una conseguente diminuzione del calore da asportare. 

Nell’assorbitore occorre infatti prevedere un circuito di raffreddamento (solitamente lo stesso che raffredda il condensatore) per asportare il calore di condensazione del refrigerante, pari a quello di evaporazione (effetto utile nel caso di impianto frigorifero) più il calore di miscelazione e l’eventuale raffreddamento della miscela che proviene dal generatore.

Anche per le macchine ad assorbimento si definisce un efficienza, denominata COP, pari al rapporto tra effetto utile e spesa energetica sostenuta per il funzionamento della macchina

In una macchina a semplice effetto, il COP è circa 0.6-0.75 che sale a circa 1,1-1,35 nelle macchine a doppio effetto. Queste ultime sono caratterizzate dall’adozione di due cicli come quello appena considerato posti “in cascata” in modo che il calore di condensazione del ciclo soprastante costituisca l’energia in ingresso al generatore del ciclo sottostante, realizzando così un ciclo a doppio effetto.

I valori relativamente bassi dei COP non devono trarre in inganno, in quanto va considerato che queste macchine richiedono energia termica a temperature relativamente basse, quindi di una fonte di alimentazione molto meno pregiata, dal punto di vista termodinamico, dell’energia elettrica usata dai tradizionali cicli a compressione di vapore. 

I vantaggi offerti dalle macchine ad assorbimento, oltre alla possibilità di impiegare calore di scarto e di non richiedere l’impiego di fluidi dannosi per l’ozono, sono sicuramente l’elevata affidabilità derivante dalla presenza di pochissimi organi in movimento, l’elevata vita utile (in alcuni casi anche superiore ai 20 anni per le macchine ad alimentazione indiretta, se sottoposte a corretta manutenzione), la bassa rumorosità e l’assenza di vibrazioni, la ridotta richiesta di energia elettrica e le buone prestazioni ottenibili ai carichi parziali.

Sono inoltre esenti dai problemi inerenti la scelta di un lubrificante compatibile con il sistema, a differenza dei gruppi a compressione. La bassa richiesta di energia elettrica ne rende interessante l’impiego, nonostante i bassi valori di COP raggiunti in funzionamento come frigorifero, anche nell’utilizzo con fiamma diretta, in tutti quei casi in cui esiste  un’esigenza di continuità del servizio, anche in caso di interruzione della fornitura di energia elettrica. Per queste applicazioni è sufficiente infatti prevedere un piccolo gruppo di continuità o un generatore di emergenza per la produzione dell’energia elettrica richiesta dagli ausiliari in assenza della rete. Grazie ai ridottissimi fabbisogni di energia elettrica, inoltre, la macchina è certamente adatta ad applicazioni in luoghi nei quali la rete elettrica è lontana o assente, con soluzioni del tipo di quelle sopra esposte, oppure in tutti quei casi in cui l’allacciamento alla rete e la relativa cabina elettrica per azionare un gruppo a compressione risulterebbero problematici o alquanto costosi.

In merito all’efficienza energetica è opportuno sottolineare che i bassi valori di COP sono da mettere in relazione con il “valore” termodinamico modesto dell’energia utilizzata dalla macchina. Come già detto il calore al generatore in una macchina a fiamma diretta può essere fornito, oltre che da combustione di gas naturale, da combustibili di scarso pregio o di origine rinnovabile (es. biogas o pellets); nelle macchine ad alimentazione indiretta il calore ad un livello termico relativamente modesto può provenire da energia solare, o ancora derivare da cascami termici da processi industriali (ad esempio fumi di scarico) o da un cogeneratore. Nel caso degli impianti solari (solar cooling) i frigoriferi ad assorbimento consentono di utilizzare il calore in esubero tipicamente disponibile durante i mesi estivi, che altrimenti verrebbe dissipato, in special modo nei casi in cui l’impianto solare è dimensionato con funzione di integrazione al riscaldamento invernale7. Data la discontinuità e aleatorietà della fonte solare, l’impianto dovrà prevedere una caldaia di integrazione e back-up, di norma posta in serie a valle dei collettori solari. Nel caso della cogenerazione (o meglio trigenerazione) il vantaggio degli assorbitori è di natura energetica ed economica, in quanto queste macchine in generale consentono di aumentare il fattore di utilizzo dell’impianto. Vi è poi da ricordare il fatto che esiste la possibilità di far funzionare la macchina, con opportuni accorgimenti, in modalità pompa di calore, per cui si conseguono elevati rendimenti durante la stagione invernale. In questo modo anche le macchine a fiamma diretta alimentate a gas naturale diventano energeticamente interessanti. Da ultimo, dal punto di vista della rete elettrica, come già detto vi è un vantaggio, legato all’impiego delle macchine ad assorbimento nel campo della climatizzazione: svolgono un’azione di alleggerimento delle reti elettriche di distribuzione, sempre più congestionate specialmente nel periodo estivo a causa delle punte

di richiesta per il condizionamento. Un impiego massiccio della climatizzazione a gas porterebbe inoltre ad “appiattire” la curva dei consumi annuali di gas naturale.

Per contro, la macchina ad assorbimento presenta alcuni svantaggi derivanti in primo luogo dal costo unitario più alto rispetto ai frigo a compressione (v. par. successivi), dai relativamente bassi valori di COP raggiunti e, per molti modelli, dalla necessaria presenza di torri evaporative per il raffreddamento dell’assorbitore. Nel caso di impiego di una soluzione acqua-bromuro di litio come fluido di lavoro, infatti, è necessario tenere sotto controllo la temperatura dell’assorbitore, per evitare fenomeni di cristallizzazione e precipitazione del bromuro di litio, che porterebbe ad ostruire i tubi e gli scambiatori di calore, portando a scadimenti di prestazioni o al blocco della macchina. La torre evaporativa solitamente raffredda anche il condensatore, e in relazione ai tipici valori di COP di queste macchine la potenzialità della torre risulta sempre nettamente maggiore rispetto alla potenza frigorifera da asportare. Da ultimo, nei modelli ad acqua-bromuro di litio, si raggiungono valori molto bassi della pressione nell’evaporatore (prossimi a 0.009 bar), con conseguente rischio di ingresso di aria nell’impianto, che porterebbe ad un rapido scadimento delle prestazioni e all’insorgere di fenomeni corrosivi. Il problema si risolve a livello impiantistico curando adeguatamente le tenute della macchina.

Applicazioni particolari dei gruppi ad assorbimento

Assorbitori azionati da energia solare (solar cooling)

Il livello termico raggiunto da collettori solari può essere sufficiente ad alimentare una macchina ad assorbimento. Si può quindi realizzare un impianto di solar cooling. In cui il fluido termovettore dell’impianto solare, solitamente acqua, alimenta il generatore di una macchina ad assorbimento. All’impianto sarà poi allacciata una caldaia ausiliaria o una pompa di calore, per integrare la fonte solare, quando non sufficiente.

Abbinamento con pompa di calore geotermica

Gli impianti solari termici possono essere abbinati a una pompa di calore geotermica, sia a compressione che ad assorbimento, sfruttando in questo modo alcune interessanti sinergie. L’impianto solare termico consente di minimizzare il costo legato ai pozzi geotermici: i collettori solari, solitamente di tipo piano, lavorano ad integrazione dell’energia fornita all’evaporatore della pompa di calore. Durante l’inverno ai pannelli solari termici è richiesta la produzione di acqua a temperature modeste (dell’ordine dei 10°C), per cui mantengono un’efficienza elevata. D’estate producono acqua calda sanitaria oppure possono alimentare la macchina ad assorbimento, se presente, con rendimenti accettabili grazie agli elevati valori di irraggiamento solare. In un collettore solare termico il rendimento risulta infatti penalizzato dalla presenza di scarso irraggiamento solare e dalle temperature di esercizio elevate.  Ovviamente, data l’aleatorietà della fonte solare, occorre prevedere una caldaia integrativa necessaria a coprire le punte di richiesta termica nelle giornate molto fredde/calde e con assenza di sole, rispettivamente in inverno/estate

Assorbitori alimentati a biomassa

Gli impianti a biomassa che in generale impiegano caldaie a legna, a cippato e a pellets, possono essere abbinati a macchine ad assorbimento, sia in configurazioni impiantistiche a fiamma diretta, sia mediante alimentazione indiretta con un fluido termovettore. La configurazione più frequente è quella con caldaia a biomassa e macchina ad assorbimento ad alimentazione indiretta ad acqua o olio diatermico.

Produzione periferica di freddo in impianti di teleriscaldamento

Una rete di teleriscaldamento provvede al trasporto del calore presso l’utente dove alimenta un assorbitore per la produzione locale di acqua refrigerata. Rispetto alla soluzione centralizzata di impianto combinato di teleriscaldamento e teleraffrescamento con rete a 4 tubi, la produzione periferica di freddo si rivela vantaggiosa in termini energetici e spesso economici. Il costo complessivo delle macchine frigorifere tende ad aumentare rispetto ad una soluzione centralizzata, tuttavia si risparmia sul costo della rete in quanto occorre interrare una rete a 2 tubi anziché a 4, inoltre si ottiene un significativo risparmio energetico poiché le perdite termiche sulla rete del freddo pesano in modo rilevante, considerando anche i T contenuti con cui opera la rete del freddo (normalmente con 6-7°C in mandata e 12-13 °C in ritorno). Si consideri inoltre che le perdite termiche della rete di acqua calda sarebbero comunque presenti d’estate anche nel caso di una rete a 4 tubi, per la produzione di acqua calda sanitaria, per cui la soluzione con produzione decentrata di freddo non altera praticamente le perdite della rete del caldo, mentre elimina le elevate perdite energetiche lungo la rete di distribuzione del freddo.

Assorbitori azionati da cascami termici

La sorgente termica può essere costituita da acqua, olio diatermico, vapore o fumi caldi resi disponibili da processi industriali. Rispetto alle altre applicazioni fin qui citate, occorre sottolineare come l’utilizzo di assorbitori alimentati con cascami di calore, che sarebbero altrimenti persi, possa facilmente conseguire significativi risparmi energetici in ambito industriale, contribuendo direttamente al contenimento delle emissioni di CO2 e garantendo normalmente tempi brevi di recupero dell’investimento. L’energia termica disponibile come cascame termico da un processo industriale viene recuperata con appositi scambiatori e trasferita all’assorbitore per mezzo di idonei fluidi termovettori, normalmente acqua calda o pressurizzata oppure vapore.