Confronto tra un impianto di refrigerazione bistadio a R717 e uno a cascata R744/R717 per scopi di refrigerazione industriale

The following Master Thesis project is the result of an internship at Orogel Soc. Coop. Agricola, a firm located in Cesena which deals with food freezing. Due to the need of expanding production and storing capacity, it was decided to design a new refrigerated storage cell for frozen food. This discussion aims to evaluate the proper solution between a two-stages vapor compression system with R717, a widespread solution in this field of application, and a R744/R717 cascade refrigeration system. The two proposed configurations are compared both from the energy and economic point of view. Considerations on safety aspects are also discussed in this essay. The required design parameters are a cooling power of 1 MW available at evaporating temperature equal to -35°C for the storage cell, that must be kept under -25°C, and a cooling power of 650 kW at evaporating temperature of -13°C for working areas intended for product processing and handling. After a first investigation on industrial refrigeration sector in scientific literature, the two different thermodynamic cycles have been modeled in order to validate considerations made by other authors that have worked on the same theme. In this first step, attention is focused on theoretical energy analysis of thermodynamic cycles, considering all components of the system as control volumes in steady state. It is assumed a constant isentropic efficiency of compressors and negligible thermal and pressure losses on components and piping. Power consumption of compressors and Coefficient of Performance (COP) of the two thermodynamic cycles have been obtained through mass and energy balances. These values have been computed for different evaporating temperatures. In a second step the design evaporating temperature is imposed. The assumption of negligible pressure losses in piping falls and real commercial machines are considered, as well as electrical consumption of pumps and fans in evaporators and condensers. Selection software packages provided by manufacturers have been used for system components sizing. Eventually, an overall techno-economic analysis has been carried out between the two proposed configurations to identify the most energy efficient and economically competitive option under typical working conditions. Results and conclusions are presented and discussed.

Il seguente progetto di tesi nasce da un tirocinio svolto presso Orogel Soc. Coop. Agricola, azienda di Cesena che si occupa, fra le varie attività, di surgelazione di prodotti alimentari. In seguito alla necessità di ampliare la capacità produttiva e di immagazzinamento, si è deciso di progettare una nuova cella frigorifera per la conservazione di alimenti surgelati. Questo elaborato si pone l’obiettivo di valutare la scelta più adatta tra un impianto di refrigerazione bistadio a NH3, soluzione classica e assai diffusa per questo campo di applicazione, e un impianto a cascata CO2/NH3. Le due soluzioni proposte saranno confrontate sia dal punto di vista energetico che da quello economico, senza dimenticare considerazioni a livello tecnico-operativo e per la sicurezza. I dati di progetto richiesti sono una potenza frigorifera di 1 MW disponibile alla temperatura di evaporazione di -35 °C per la cella frigorifera, che deve essere mantenuta a -25 °C, e 650 kW di potenza frigorifera ad una temperatura di evaporazione pari a -13 °C per gli adiacenti ambienti di lavorazione e movimentazione dei prodotti. Dopo aver investigato, in un primo momento, il panorama della refrigerazione industriale nella letteratura scientifica, si è passati alla modellizzazione dei due differenti cicli termodinamici per validare le considerazioni effettuate da altri autori che hanno lavorato sul medesimo tema. In questa prima fase, si è scelto quindi di concentrarsi sull’analisi energetica dei cicli termodinamici, sui quali è stata effettuata un’analisi teorica considerando i componenti del sistema come volumi di controllo in flusso stazionario. Si sono ipotizzati rendimento isoentropico dei compressori e perdite termiche e di carico trascurabili sui vari componenti e sulle linee di collegamento tra di essi sulla base della letteratura tecnico-scientifica. Tramite bilanci di massa ed energia si sono ricavate le potenze richieste dai compressori e il coefficiente di prestazione COP dei due cicli termodinamici al variare della temperatura di evaporazione. Nella seconda fase, è stata fissata la temperatura di evaporazione di progetto e si sono tenuti in considerazione perdite di carico nelle tubazioni, macchine reali in commercio, consumi elettrici di pompe e ventilatori in evaporatori e condensatori. Per il dimensionamento di tutti i componenti sono stati utilizzati i software di selezione forniti dai produttori. Una volta dimensionati i due impianti, è stata effettuata un’analisi tecnico-economica complessiva volta a determinare la scelta più efficiente dal punto di vista energetico ed economico nelle condizioni di lavoro tipiche, traendo le conseguenti conclusioni.