Diapositiva 1

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Università degli studi di Roma La Sapienza
Macchina di Stirling a ciclo inverso Sistema
criorefrigerativo di tipo Pulse Tube" Apparato
sperimentale
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Ciclo Stirling inverso
Nelle macchine operatrici la temperatura della
sorgente termodinamica che fornisce calore al
fluido operante è inferiore (parte da
refrigerare) alla temperatura della sorgente che
assorbe calore dal fluido stesso (emissione di
calore verso lesterno).
Q esp Area B34DB (calore assorbito dal
fluido) Qcomp Area A21CA (calore ceduto
allesterno) L esterno Area 12341
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Applicazioni

• Principali applicazioni del ciclo inverso
• Macchine frigorifere e macchine criogeniche
• Pompe di calore
• La forma del ciclo è la stessa, ma cambia la
  temperatura di espansione e compressione.
• Macchine frigorifere per generazione di freddo
  T3 T4 363-100K
• Pompa di calore per pompaggio del caldo a T più
  alta di quella disponibile
• T2 T1 293 K
• T3 T4 333 K

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• Prestazioni macchina frigorifera
• Potenza refrigerante o capacità refrigerante
  quantità di calore che la macchina è in grado di
  asportare dalla sorgente a bassa temperatura W
• C.O.P. (dallinglese Coefficient Of
  Performance), è un parametro di prestazione di
  tipo energetico, avente lo stesso significato del
  rendimento per le macchine termiche. Esso è il
  rapporto tra il calore effettivamente asportato a
  bassa temperatura e lenergia fornita in ingresso
  al sistema
• COPfrig QF / E Fornito
• Efficienza il limite teorico per il COP di una
  macchina frigorifera, operante tra le temperature
  estreme TF (temperatura minima, in genere quella
  a cui avviene la refrigerazione) e TC
  (temperatura massima, solitamente pari alla
  temperatura ambientale o poco superiore) è
  rappresentato dal
• COPfrig Carnot TF/(TC-TF)
• Lefficienza definisce allora il rapporto tra il
  COP della macchina studiata e il COP di Carnot
• ?c COP Reale / COPfrig Carnot
• Tipicamente, i valori dellefficienza per le
  macchine reali oscillano tra 0.01 e 0.5 il
  valore assunto dallefficienza dipende
  principalmente dalla taglia del sistema, con i
  valori più grandi raggiunti dalle macchine di
  taglia maggiore.

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• Prestazioni pompa di calore
• C.O.P. (dallinglese Coefficient Of
  Performance), è un parametro di prestazione di
  tipo energetico, avente lo stesso significato del
  rendimento per le macchine termiche. Esso è il
  rapporto tra la quantità di calore ceduta durante
  la trasformazione di compressione (alla
  temperatura massima del ciclo) ed il lavoro
  assorbito dalla macchina per compiere il ciclo
• COPpdc Carnot QC / E Fornito
• COPpdc Carnot TC/(TC-TF)
• Tra i coefficienti di prestazione, frigorifera e
  della pompa di calore, esiste una relazione che
  lega i due tipi di funzionamento
• COPpdc Carnot 1 COPfrig Carnot
• Il termine COP pdc Carnot è linverso del
  rendimento termodinamico della macchina motrice
  il COP frig Carnot non ha un corrispondente.

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• Tempo di raffreddamento indica il tempo
  richiesto dallapparecchiatura per raggiungere la
  temperatura di regime, e dipende perciò
  principalmente dalla taglia della macchina. Per
  sistemi a bassa capacità, esso è solitamente
  dellordine di alcune decine di minuti.
• MTBM e MTBF Mean Time Before Maintenance (tempo
  medio prima della manutenzione) e Mean Time
  Before Failure (tempo medio prima di un guasto).
  Essi rappresentano sostanzialmente degli indici
  di affidabilità del sistema.

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Il ciclo reale

• Effetti di riduzione delle prestazioni
• Effettiva distribuzione del fluido operante nei
  diversi componenti
• Differenze di pressione e temperatura
• Lesistenza di volumi morti
• Le perdite per limitazione degli scambi termici
• Inefficienza del rigeneratore
• Attrito fluidodinamico.

Incremento della potenza meccanica P assorbita
e riduzione della capacità refrigerante Q
dovuti alle perdite.
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Aumento della potenza meccanica richiesta

• Laumento della potenza meccanica è
  principalmente imputabile a
• Perdite meccaniche attrito tra i diversi organi
  in moto
• Perdite fluidodinamiche conseguenti perdite di
  carico
• Perdite per adiabaticità ipotesi di
  adiabaticità nei cilindri

Perdite fluidodinamiche
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Perdite per adiabaticità

• Nello spazio di compressione la temperatura media
  del fluido è superiore a quella dello scambiatore
  adiacente, che cede calore alla sorgente esterna.
• Questa condizione richiede maggior potenza per le
  macchine frigorifere e riduzione del COP.
• Ulteriore motivo di perdita è lo scambio termico
  mutuo nel passaggio del fluido di lavoro nelle
  due direzioni.

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Diminuzione della capacità refrigerante

• La diminuzione della Capacità Refrigerante è
  principalmente imputabile a
• Perdite fluidodinamiche come macchina motrice
• Perdite per conduzione termica come macchina
  motrice
• Perdite per inefficienza del rigeneratore

Le perdite per inefficienza del rigeneratore sono
dovute al fatto che la quantità di calore
scambiata è solo una frazione di quella totale e
dipende dallefficienza del rigeneratore. DQr
(1-e) Qr DQr / QE cr (1-e) (TC TF)/TF Cr è
un coefficiente che dipende dal rapporto di
compressione (7) Ponendo Tc 300 K e TF 75 K
con una perdita di efficienza dell1 avremo una
perdita di capacità refrigerante del 21 DQr /
QE cr (1-e) (TC TF)/TC 7 1 (300-75)/75
7 1 3 21
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• I sistemi criogenici sono largamente impiegati in
  quelle tecnologie che richiedono per il loro
  ottimale funzionamento il raggiungimento di
  temperature al di sotto di 120 K.
• Campi di applicazione
• Liquefazione di gas tecnici (gas naturale,
  idrogeno). Trasporto del gas naturale si
  liquefa, a pressione ambiente e a 112 K,
  riducendo il volume occupato (di circa 160 volte)
  e consentendo l immagazzinamento e il
  trasportato da navi cisterna
• Criopompaggio. Consiste nello svuotare per quanto
  possibile lambiente con una pompa a vuoto. La
  temperatura viene abbassata con una macchina
  criogenica che fa condensare i gas residui su un
  radiatore sistemato in modo da non interferire
  con il processo.
• Sensori ad infrarossi per la sorveglianza e gli
  studi in atmosfera. Sussiste una relazione
  inversamente proporzionale tra la massima
  lunghezza donda e la temperatura di
  funzionamento.
• Crioconservazione. La crioconservazione è
  impiegata, in campo veterinario, per la
  conservazione (tramite azoto liquido, 77 K) dei
  gameti maschili di varie specie zootecniche
  (utilizzati per la fecondazione artificiale) e
  per la preservazione per lunghi periodi di
  embrioni

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• Elettronica fredda (HTS, LTS).
• Cavi per il trasporto di energia elettrica
• Magneti superconduttori in ambito diagnostico
  con i sistemi NMR (Nuclear Resonance
  Spectroscopy) e MRI (Magnetic Resonance Imaging),
  sensori e acceleratori di particelle
• Motori HTS si riescono a produrre campi
  magnetici più alti teoricamente con nessuna
  perdita nel rotore e perdite ridotte in modo
  significativo nellarmatura fissa
• Elettronica Josephson Junctions (JJs), SQUIDs
  (Superconducting Quantum Interference Devices),
  filtri ed amplificatori da impiegare nella RF
  (Radio Frequency).
• Criochirurgia. Se il raffreddamento delle cellule
  avviene a velocità molto elevate (fino anche a
  106 K), i liquidi contenuti al loro interno non
  hanno la possibilità di fluire allesterno e
  ghiacciano determinando la rottura delle membrane
  cellulari.

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• Parametri
• Potenza refrigerante e temperatura di esercizio
  nella criogenia si va dalla richiesta di frazioni
  di Watt a pochi Kelvin, fino a diversi MegaWatt a
  120 K.
• Schema Pulse Tube

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• Ciclo Stirling

1-2 - Compressione isoterma 2-3 - Riscaldamento
isocoro rigenerativo 3-4 - Espansione
isoterma 4-1 - Raffreddamento isocoro
rigenerativo
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Ciclo Inverso
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Effetto Shuttle
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• La curva chiusa 1-2-3-4 descrive l'andamento
  temporale di una particella di gas all'interno
  del tubo.
• Tratto 1-2 Compressione ciascuna particella di
  gas contenuta nel tubo si muove verso l'estremità
  destra subendo, contemporaneamente, un incremento
  di temperatura causato dalla compressione
  adiabatica. Nel punto 2 la pressione all'interno
  del tubo ha raggiunto il valore massimo (pmax).
• Tratto 2-3 indica la successiva fase di
  raffreddamento durante la quale il fluido cede
  calore alle pareti.
• Tratto 3-4 fase di espansione porta il fluido a
  muoversi verso l'estremità sinistra del tubo. La
  pressione decresce assumendo il valore minimo nel
  punto 4 e il fluido, soggetto ad un'espansione
  adiabatica, si raffredda.
• Tratto 4-1 il gas assorbe calore dalla parete del
  fluido, innalzando di conseguenza la propria
  temperatura.
• Il risultato netto del ciclo è un trasferimento
  di calore di "tipo shuttle", nel quale ciascuna
  porzione infinitesima di fluido trasporta calore
  verso l'estremità calda del pulse tube.

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Pulse Tube Refrigerator

• Piccole potenze
• Piccole dimensioni
• Assenza di parti in movimento alla testa fredda
• Ridotte vibrazioni
• Ridotta manutenzione
• Economicità

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Apparato sperimentale

• Compressore Volumetrico Pmedia 16 Bar ?P 6
  Bar
• Valvola Rotativa alimentata elettricamente da
  corrente alternata monofase frequenza di
  rotazione 5.5 Hz
• Criostato testato per tenere fino a pressioni di
  10-7 Pascal
• Pompa da vuoto in grado di realizzare pressioni
  dellordine dei 10-6 bar
• Sensori di pressione e temperatura

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SperimentazioneGrandezze monitorate e prove
effettuate
Sono state effettuate rilevazioni su sei
configurazioni diverse della macchina
Due rigeneratori differenti per diametro
idraulico e dimensioni
Ognuno accoppiato con tre orifizi di diametro
differente
Temperatura
Pressione

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Sperimentazione, elaborazionePotenza dissipata
Potenza dissipata
La maggior parte delle perdite sono da imputare
al rigeneratore, presente anche in tutti gli
altri criorefrigeratori
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Sperimentazione, elaborazioneConfronto potenza
refrigerante e efficienza
Rigeneratore 1
Rigeneratore 2
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Maggiore Affidabilità Minori parti in movimento (nessuna all'estremità fredda) Grandi orifizi (assenza di otturamento per contaminanti condensati) Impiego di pressioni modeste e limitati rapporti di pressione
Costi più bassi Minori unità costitutive Assenza di accoppiamenti precisi e problemi di bloccaggio Parte fredda più robusta Gas ideale come fluido di lavoro (unico per ogni temperatura)
Minori Vibrazioni Assenza del displacer sul lato freddo Struttura rigida con frequenza naturale maggiore
Migliori Caratteristiche Elettriche Assenza di induzione elettromagnetiche associate alla parte fredda Elettronica di controllo più semplice
Migliore Sopravvivenza Al Lancio Assenza di bloccaggio per l'estremità fredda Maggior robustezza della parte fredda (quindi più leggera e compatta) Capacità di sopportare elevate forze laterali all'estremità fredda