pompe di calore industriali
Approfondimenti sulla pompa di calore
qualche definizioni
Una pompa di calore è una macchina termodinamica in grado di assorbire energia termica ad un determinato livello di temperatura e di restituirla con una temperatura più alta, usando l’apporto di una fonte di energia esterna. Nella maggior parte dei casi l’energia esterna è energia elettrica, ma si può usare anche energia termica con una temperatura più elevata. La macchina frigorifero, inventata intorno al 1850, è l’esempio più diffuso di una pompa di calore. Recentemente, c’è molto interesse ad usare la stessa machina per produrre energia termica. Nella figura a destra si riporta una rappresentazione schematica di una pompa di calore che utilizza la tecnica della compressione meccanica del vapore. Questa macchina usa il principio dell’evaporazione e della condensazione di un liquido (il refrigerante).
Esistono tante tecniche diverse per comprimere il vapore e ognuna ha delle caratteristiche che la rendono più o meno adatta per una situazione specifica (clicca qui per una classifica completa). Nella figura sono anche illustrate le definizioni principali per descrivere le prestazioni energetiche di una pompa di calore elettrica.
Il COP è un parametro che rappresenta il rapporto fra l’energia esterna per il funzionamento della macchina e l’energia termica resa all’uscita. È un indicatore chiave perché permette valutare i risparmi energetici, economici ed ambientali conseguiti grazie alla pompa di calore.
Con il “delta T” ( simbolo: ΔT) sulla pompa di calore si in tende la differenza di temperatura fra il flusso in entrata dell’evaporatore e la temperature del flusso all’uscita del condensatore (vedi la figura qui sopra).
il ciclo termodinamico del ThermBooster™
Per ottenere l’incremento di temperatura dell’energia termica, un refrigerante è forzato di percorre un ciclo termodinamico, con l’aiuto di un compressore (vedi il diagramma P-h a sinistra). Il ciclo può essere scomposto in sette processi distinti:
1 → 2 : Compressione
2 → 3 : Condensazione
3 → 4 : Sub-cooling (opzione)
4 → 5 : Scambio calore con vapore a bassa pressione (latto caldo)
5 → 6 : Laminazione
6 → 7 : Evaporazione
7 → 1 : Super heating (con scambiatore interno, latto freddo)
il COP
Dal diagrammo P-h riportato qui sopra, si evince che l’energia utile estratta dalla macchina è rappresentata dalla differenza tra l’entalpia specifica del refrigerante nel punto 2 e quella nel punto 4, mentre il lavoro trasmesso al refrigerante dal compressore è rappresentato dalla differenza tra l’entalpia specifica del refrigerante nel punto 1 e quella nel punto 2.
Perciò:
COP = (h2 – h4) / ((h2 – h1) /ηc)
Dove ηc = l’efficienza isoentropica del compressore.
Per esempio una COP = 4 vuol dire che per avere un flusso termico di 4 kW al condensatore si impiega 1 kW di energia elettrica per il compressore. In questo caso circa 3 kW di energia termica vengono assorbiti dall’evaporatore.
Da notare che l’energia elettrica assorbita dal compressore viene restituita, per la sua quasi totalità, dal condensatore come energia termica.
il cop in funzione del delta t
Come si può vedere da questo grafico, il COP diminuisce quando la differenza di temperatura fra l’evaporatore ed il condensatore aumenta. Dal grafico riportato a sinistra si può vedere quanto il COP varia con una variazione del ΔT (la linea blu) in funzione di ΔT. Dal grafico risulta che per i ΔT piccoli, le variazioni nel COP sono più importanti che per i ΔT grandi. Infatti la variazione del COP con il ΔT va dal 0,18 [1/°C] quando ΔT = 10 [°C] sino a 0,03 [1/°C] per ΔT = 80 [°C].
N.B. Il progettista deve prestare molta attenzione a questo fenomeno particolare, che è tipico per ogni pompa di calore. Per esempio, con un ΔT di 40 [°C] il consumo di energia elettrica è ben 43 % più alto che il consumo con un ΔT di 20 [°C].
