Progettazione di un circuito di prova per macchine a compressione di vapore ad anidride carbonica

Carbon dioxide as a refrigerant fluid was very used in the past, then it was dismissed but now it is spreading again, because of environmental issues, as the greenhouse effect and hole in the ozone layer, and because it was discovered how the synthetic refrigerants have negative effects on the environment. Moreover the carbon dioxide can be considered the best natural refrigerant fluid for its characteristics: it has good chimical and thermodinamics properties and it is not toxic, like ammonia, or flammable as hydrocarbons. A simple refrigerant cycle with carbon dioxide, compared to one with another refrigerant fluid, has a lower efficiency, but this efficiency can be increased changing the cycle. It has been designed a plant where water is the circulating fluid that exchanges thermal power with the evaporator and condenser of the refrigerant cycle. It is been made possible to measure thermal electric power, and in this way it can be possible to estimate the efficiency of the cycle (COP). Modifying every time the refrigeration cycle or a new component to test, we can value the best cycle. The plan has been sized on an electrical power of 1.1 KW, on a thermal power of 4.8 kW at the evaporator and 5.9 kW at the condenser. All the other components (valves, tanks, pump) have been chosen after calculating the mass flow, its velocity and the pressure drop. The next step has been thinking about the control system to have the desired conditions. The inlet temperatures of the evaporator and of the condenser have to be constant and to be an established value because on them the evaporation and condensation temperatures depend. It is necessary to control the three way valves and the power of a chiller introduced to compensate the power difference between the thermal power at the evaporator and at the condenser. Besides we want the difference between inlet and output temperatures of the evaporator and condenser to be five degrees. For this reason the pumps change the mass flow. Furthermore it has been made an analysis on the combined uncertainty with the change in the uncertainty of measured temperature, pressure and mass flow of the wanted points to calculated the thermal powers and the cycle efficiency. The measuring instruments are chosen on the base of this analysis and economic factors. Before building the plan, it has been built a model plant with Simulink. It is simpler than the original plant but it has the same main features. With this model it is possible to check how the plant works and if the control system works in the right way. For these reasons some simulation are made using as initial conditions some typical and possible temperatures.

L'anidride carbonica, utilizzata come fluido refrigerante, era molto diffusa un tempo, ma ha poi perso importanza per riacquisirla solo ultimamente, quando i temi ambientali, quali l'aumento dell'effetto serra e la distruzione della fascia dell'ozono stratosferico, hanno assunto maggiore rilevanza e si è scoperto come i fluidi sintetici contribuiscano a questi effetti. Inoltre l'anidride carbonica è il fluido naturale più adatto come fluido refrigerante per caratteristiche chimiche, termodinamiche e di sicurezza. Rispetto all'ammoniaca o agli idrocarburi questa non è né infiammabile né tossica, ma per un ciclo frigorifero semplice ad anidride carbonica si sperimenta un efficienza minore rispetto a uno con altri fluidi refrigeranti. Proprio per questo motivo, si è cercato di modificare il ciclo per ottenere un miglioramento dell'efficienza e si è visto come ciò sia possibile. E' stato progettato un impianto con acqua circolante che scambi potenza termica con l'evaporatore e il condensatore di un ciclo frigorifero. Si è fatto in modo che fosse possibile misurare le potenze termiche scambiate, la potenza elettrica in ingresso al ciclo e di conseguenza l'efficienza energetica del ciclo (COP). Questo perché, modificando di volta in volta il ciclo frigorifero, si possano sperimentare diversi tipi di cicli e testare diversi e innovativi componenti, ad esempio particolari compressori, per valutarne l'efficienza. L'impianto è progettato per una potenza elettrica pari a 1.1 kW, ottenendo 4.8 kW termici all'evaporatore e 5.9 kW al condensatore. Successivamente, anche valutando le portate necessarie, le velocità dell'acqua nelle tubazioni scelte e le perdite di carico, sia distribuite che concentrate, si sono stabiliti tutti i componenti per l'impianto (valvole, serbatoi, pompe, componenti di sicurezza). Si è poi pensato a come l'impianto dovesse essere controllato per avere le condizioni desiderate. Le temperature di ingresso di evaporatore e condensatore devono essere costanti e corrispondere ad un valore desiderato, poiché da queste dipende anche la temperatura di evaporazione e di condensazione del ciclo frigorifero. Per fare questo si dovranno controllare le valvole a tre vie posizionate e la potenza di un chiller introdotto per compensare la differenza di potenza termica tra evaporatore e condensatore. Inoltre si vuole avere una differenza di temperatura tra ingresso e uscita dell'evaporatore e condensatore sempre pari a cinque gradi, quindi si agirà sulle portate elaborate dalle pompe che saranno a giri variabili. Si è poi proceduto effettuando un analisi sull'incertezza combinata al variare delle incertezze sulla lettura delle temperature, pressioni e portate utili per i dati che si desiderano acquisire (potenze termiche, elettriche e COP). Tenendo conto di questa analisi, ma anche di fattori economici, si sono scelti tutti gli strumenti di misura per effettuare la lettura delle variabili da misurare e controllare. Prima di procedere con lo sviluppo fisico dell'impianto si è creato un modello con il programma Simulink, integrato a Matlab. Creando un modello semplificato, ma fedele all'impianto progettato, si è verificato, partendo da possibili condizioni iniziali, il suo funzionamento e, soprattutto, se la logica di controllo sviluppata portasse l'impianto alle condizioni desiderate.