Pompa di calore ad assorbimento: cos’è, azionata da energia termica

Una pompa di calore ad assorbimento ( AHP ) è una pompa di calore azionata da energia termica come la combustione di gas naturale, vapore, acqua riscaldata dal sole, aria o acqua geotermica a differenza delle pompe di calore a compressione che sono azionate da sistemi meccanici energia. Gli AHP sono più complessi e richiedono unità più grandi rispetto alle pompe di calore a compressione. In particolare, la minore richiesta di energia elettrica di tali pompe di calore è legata al solo pompaggio del liquido.Le loro applicazioni sono ristrette a quei casi in cui l’energia elettrica è estremamente costosa o è disponibile una grande quantità di calore inutilizzato a temperatura adeguata e quando la resa frigorifera o termica ha un valore maggiore della portata termica consumata. Anche i frigoriferi ad assorbimento funzionano secondo lo stesso principio, ma non sono reversibili e non possono fungere da fonte di calore.

Pompa di calore ad assorbimento da 14.000 kW

Principi operativi

Il sistema a pompa di calore è costituito da alcune unità principali quali il generatore, il condensatore, l’evaporatore, l’assorbitore e lo scambiatore di calore, nonché il dispositivo di aspirazione, la pompa di schermatura (pompa della soluzione e pompa del refrigerante ). Nel caso più semplice sono necessari anche cinque scambiatori di calore (su ciascun componente e uno scambiatore di calore interno). Altri componenti includono gli scambiatori di calore della soluzione, le valvole , nonché il dispositivo di aspirazione, la pompa di protezione (pompa della soluzione e pompa del refrigerante) e altre parti ausiliarie.

Per la circolazione della pompa di calore ad assorbimento, l’ assorbitore , il generatore e la pompa possono essere considerati come un “compressore termico”. L’assorbitore è equivalente al lato di ingresso del compressore e il generatore è equivalente al lato di uscita del compressore. L’assorbente può essere considerato come un liquido vettore che trasporta il gas refrigerante generato dal lato a bassa pressione del ciclo al lato ad alta pressione.

Poiché i componenti principali dei dispositivi che raggiungono tre scopi sono gli stessi, esiste una pompa di calore che le consente di realizzare tutte le modalità di funzionamento: modalità pompa di calore, modalità raffrescamento e modalità trasformatore di calore. La pompa di calore ad assorbimento può essere utilizzata come raffrescatore durante l’estate mentre, durante l’inverno, può essere utilizzata in modalità pompa di calore o trasformatore di calore a seconda della fonte di calore disponibile.

Le prestazioni della pompa di calore ad assorbimento sono indicate dal coefficiente di prestazione (COP). Il COP è il rapporto tra il calore rimosso (per la refrigerazione) o fornito (per il riscaldamento) e l’energia immessa. Attualmente, la temperatura massima della sua uscita non supera i 150 °C. L’aumento di temperatura ΔT è generalmente di 30–50 °C. Il coefficiente di prestazione di raffreddamento è compreso tra 0,8 e 1,6, il coefficiente di prestazione di riscaldamento è compreso tra 1,2 e 2,5 e il coefficiente di prestazione di trasferimento del calore è compreso tra 0,4 e 0,5.

Quando vengono applicate nell’industria, le pompe di calore ad assorbimento devono essere adeguatamente posizionate dal punto di vista energetico e devono soddisfare i limiti delle particolarità dell’ambiente circostante.

Tipi di AHP

Tipo 1: pompe di calore convenzionali

Configurazione pompa di calore ad assorbimento (refrigerazione di tipo 1)

Temperatura ad assorbimento pompa di calore (tipo 1); Q2-guida flusso ad alta temperatura (desorbitore); Q0-mandata a bassa temperatura (evaporatore); Q1-flusso di calore intermedio (condensatore).

Classificati in base alla temperatura, gli AHP possono essere suddivisi in due categorie. Nell’AHP di tipo 1, la temperatura del condensatore è superiore alla temperatura dell’evaporatore (nota anche come amplificatore di calore e refrigerazione). Azionata da una fonte di calore ad alta temperatura, la pompa di calore ad assorbimento del primo tipo estrae il calore del calore di scarto (calore di scarto) ed emette un mezzo di calore a temperatura media che è di 30-60 gradi Celsius superiore al calore di scarto. Questo tipo è più comune e potrebbe essere un’alternativa alle tradizionali macchine a compressione. Il coefficiente di prestazione della pompa di calore ad assorbimento del primo tipo è maggiore di 1, generalmente da 1,5 a 2,5.

La pompa di calore è composta dai componenti principali come generatori, condensatore, evaporatore, assorbitore e scambiatore di calore, nonché dal dispositivo di aspirazione, dalla pompa di schermatura (pompa della soluzione e pompa del refrigerante) e da altre parti ausiliarie. Il dispositivo di estrazione dell’aria rimuove il gas incondensabile nella pompa di calore e mantiene la pompa di calore sempre in uno stato di alto vuoto.

Schema di processo pompa di calore ad assorbimento (tipo 2)

Tipo 2: pompe di calore con trasformatore di calore

Nel tipo 2 AHP, la temperatura del condensatore è inferiore alla temperatura dell’evaporatore (noto anche come trasformatore di calore). La pompa di calore ad assorbimento di tipo 2 utilizza il calore del calore di scarto a media temperatura in modo intelligente, producendo un mezzo di calore ad alta temperatura (vapore di acqua calda) di 25–50 gradi Celsius in più rispetto al calore di scarto a media temperatura. La pompa di calore ad assorbimento di tipo 2 potrebbe essere azionata da calore di scarto di bassa qualità nel processo di produzione o in natura, che può ottenere risparmio energetico e riduzione delle emissioni e ridurre i costi di produzione, e ha un’applicazione pratica nelle industrie petrolchimiche e chimiche del carbone. Il coefficiente di prestazione della seconda pompa di calore ad assorbimento è sempre inferiore a 1, generalmente da 0,4 a 0,5.

Q1-flusso di calore guidato intermedio;  Q2-mandata rivalutata ad alta temperatura;  Q3-flusso scartato a bassa temperatura.

Temperatura di assorbimento pompa di calore (tipo 2); Q1-flusso di calore guidato intermedio (evaporatore); Q2-mandata rivalutata ad alta temperatura (assorbitore); Q0-flusso scartato a bassa temperatura (condensatore).

Tipici fluidi di lavoro

Una miscela di fluido viene utilizzata come fluido di lavoro, diverse concentrazioni del fluido di lavoro corrispondono a temperature diverse, la temperatura e la concentrazione del fluido di lavoro subiscono un cambiamento ciclico. Quando il generatore viene alimentato con calore, la temperatura della miscela aumenta, aumentando così la concentrazione di componenti altobollenti (assorbenti) e liberando il refrigerante. Quando il refrigerante viene miscelato con il refrigerante nell’assorbitore, viene rilasciato calore. Diversi tipi di miscela possono essere utilizzati nell’unità di assorbimento, ma le scelte comuni sono acqua/bromuro di litio e ammoniaca/acqua.

Acqua e bromuro di litio (LiBr)

Pompa di calore ad assorbimento di acqua e ammoniaca

L’acqua è il refrigerante e LiBr il mezzo di assorbimento. I sistemi ad acqua e LiBr hanno capacità maggiori e sono applicati in un’ampia gamma nel settore, le dimensioni variano da decine di kW a diversi MW. Il primo tipo di pompa di calore ad assorbimento al bromuro di litio è una fonte di calore ad alta temperatura (vapore, acqua calda ad alta temperatura, olio combustibile, gas) come fonte di calore motrice, soluzione di bromuro di litio come assorbente e acqua come refrigerante, e la fonte di calore a bassa temperatura (come l’acqua calda di scarto) viene riciclata e utilizzata.

Ammoniaca e acqua

L’ammoniaca è il refrigerante e l’acqua il mezzo di assorbimento. Nell’assorbitore e nel generatore, l’assorbimento o l’effetto della soluzione acquosa di ammoniaca viene utilizzato per irradiare calore o assorbire calore. Nell’evaporatore e nel condensatore, il cambiamento di fase dell’ammoniaca pura viene utilizzato per completare l’assorbimento esterno o il rilascio di calore. Come una pompa di calore tradizionale, il refrigerante (ammoniaca) viene condensato nel condensatore e quindi viene rilasciato calore; la pressione viene abbassata dopo l’unità di espansione e il refrigerante evapora per assorbire il calore.

Le pompe di calore ammoniaca/acqua sono essenzialmente limitate alle applicazioni residenziali perché commercialmente limitate solo a piccole taglie (pochi KW). Se l’impianto assorbe calore dall’edificio residenziale, funziona come una macchina frigorifera; se cede calore all’interno di un edificio residenziale, riscalda la casa.

Il componente chiave delle pompe di calore che utilizzano ammoniaca e acqua oggi sul mercato è lo scambiatore di calore ad assorbimento del generatore (GAX), che migliora l’ efficienza termica dell’apparecchiatura recuperando il calore rilasciato quando l’ammoniaca viene assorbita nell’acqua. Altre innovazioni applicate a questo tipo di pompa di calore includono l’efficiente separazione del vapore, il flusso di ammoniaca variabile e la capacità variabile e la combustione del gas a capacità variabile a basse emissioni.

Fonti di energia termica

Solare termico

Cicli di raffreddamento ad assorbimento iterativi singoli, doppi o tripli vengono utilizzati in diversi progetti di sistemi di raffreddamento solare termico. Più cicli ci sono, più sono efficienti.

Alla fine del XIX secolo, il materiale refrigerante a cambiamento di fase più comune per il raffreddamento ad assorbimento era una soluzione di ammoniaca e acqua. Oggi è di uso comune anche la combinazione di bromuro di litio e acqua. Un’estremità del sistema di tubi di espansione/condensazione viene riscaldata e l’altra estremità si raffredda abbastanza da produrre ghiaccio. In origine, il gas naturale veniva utilizzato come fonte di calore alla fine del XIX secolo. Oggi, il propano viene utilizzato nei frigoriferi ad assorbimento dei veicoli ricreazionali. Gli innovativi collettori solari termici ad acqua calda possono essere utilizzati anche come moderna fonte di calore “free energy”.

I frigoriferi ad assorbimento efficienti richiedono acqua di almeno 88 °C (190 °F). I collettori solari termici piani comuni ed economici producono solo circa 70 °C (160 °F) di acqua, ma diversi progetti commerciali di successo negli Stati Uniti, in Asia e in Europa hanno dimostrato che i collettori solari piani sono sviluppati appositamente per temperature superiori a 93 °C ( 200 °F) (dotati di doppi vetri, maggiore isolamento sul retro, ecc.) possono essere efficaci ed economici. Possono essere utilizzati anche pannelli solari a tubi sottovuoto. I collettori solari a concentrazione necessari per i frigoriferi ad assorbimento sono meno efficaci in ambienti caldi, umidi e nuvolosi, specialmente dove la bassa temperatura notturna e l’umidità relativa sono sgradevolmente elevate. Dove l’acqua può essere riscaldata ben oltre gli 88+ °C (190 °F), può essere conservata e utilizzata quando il sole non splende.

Da oltre 150 anni i frigoriferi ad assorbimento vengono utilizzati per produrre il ghiaccio. Questo ghiaccio può essere immagazzinato e utilizzato come una “batteria di ghiaccio” per il raffreddamento quando il sole non splende, come nel 1995 all’Hotel New Otani Tokyo in Giappone. I modelli matematici sono disponibili nel pubblico dominio per i calcoli delle prestazioni di accumulo di energia termica basata sul ghiaccio.

Geotermico

La terra come un’enorme e stabile risorsa di accumulo termico, la sua bassa temperatura del suolo e le acque sotterranee hanno anche ampie prospettive di applicazione nell’uso dell’energia, in particolare per la costruzione del risparmio energetico è di grande importanza. Utilizzando la tecnologia della pompa di calore ad assorbimento (refrigerazione), acqua geotermica da 65 a 90 ℃può essere utilizzato per produrre acqua refrigerante 7–9℃ per la climatizzazione estiva. L’uso ragionevole della corrispondente tecnologia delle pompe di calore può ottenere l’utilizzo efficiente e completo delle risorse geotermiche a diversi livelli di temperatura, riducendo notevolmente il consumo energetico per il riscaldamento e il raffreddamento di edifici residenziali e commerciali. L’uso di acqua geotermica a 65 ℃ e oltre (o calore di scarto/di scarto) per azionare la pompa di calore ad assorbimento per il raffreddamento e il tipo di pompa di calore corrispondente (riscaldamento/riscaldamento) per il riscaldamento, può ottenere buoni vantaggi economici e di risparmio energetico. Per fonti di calore a bassa temperatura di 15–25 °C, azionate da una piccola quantità di fonti di calore ad alta temperatura (come vapore ad alta temperatura o combustione diretta), acqua fredda a una temperatura di 7–15 °C e acqua calda a una temperatura superiore a 47 °C può essere preparato. 1.2, >1.5 durante il riscaldamento.

Gas naturale

Il gas naturale è una fonte di calore di uso comune, pertanto le pompe di calore ad assorbimento sono talvolta chiamate pompe di calore a gas. Inoltre, quando le pompe di calore di altre fonti di calore (ad esempio il calore disperso) funzionano in modalità riscaldamento, possono soddisfare in modo efficiente il fabbisogno di riscaldamento di sovraccarico dei periodi molto freddi attraverso caldaie a gas aggiuntive.

Calore disperso

A titolo illustrativo, il sistema di azionamento del calore disperso può coprire carichi di raffreddamento e riscaldamento operando in modalità di raffreddamento e convertitore di calore. È possibile che un solo dispositivo possa fornire risorse all’area urbana in modo efficiente sotto il profilo delle risorse durante la maggior parte dell’anno grazie al calore residuo.


https://en.wikipedia.org/wiki/Absorption_heat_pump

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