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IMPIANTO FRIGORIFERO 1

IMPIANTO FRIGORIFERO PER LA CAMBUSA DI UNA NAVE.
DISTRIBUZIONE DEL LIQUIDO FRIGORIFERO.
COMANDO E CONTROLLO.
CICLO TERMODINAMICO.
STORIA DEL FLUIDO FRIGORIFERO

La cambusa nelle navi il locale dove vengono conservate le derrate alimentari, opportunamente refrigerate a seconda della loro natura. Dal punto di vista impiantistico si presenta una abbastanza notevole differenza rispetto ai comuni impianti terrestri: nella cambusa si trovano riunite derrate di natura diversa (da pesce e carne sino a latticini e verdure) con diverse esigenze di "freddo", per cui l'impianto deve mantenere diverse temperature contemporaneamente in locali attigui. Ne segue che lo studio della trasmissione del calore (o, come si dice in gergo, delle frigorie (1)) deve essere particolarmente curato.
Prendendo lo spunto da un esercizio proposto da "C. Ciampa - Impianti ausiliari di bordo" sviluppiamo in forma descrittiva lo studio dell'impianto frigorifero destinato alla cambusa di una nave.
Lo stato dei luoghi nel seguente schema:


I dati funzionali sono i seguenti:
1): altezza dei locali h = 2,80 metri;
2): isolamento(2) pareti esterne lana di roccia spessore 300 mm;
3): isolamento pareti interne lana di roccia spessore 200 mm;
4): isolamento pavimento lana di roccia pressata spessore 300 mm; 3 strati di cartone bitumato (totale 20 mm); cemento - asfalto, con rete metallica annegata, spessore 50 mm;
5): isolamento soffitto lana di roccia spessore 300 mm;
6): rivestimento delle pareti e del soffitto con alluminio spessore 2 mm.
Supporremo inoltre che:
1): la temperatura esterna al locale celle frigorifere (sopra, sotto e ai lati) sia costante e pari a 32 C;
2): il coefficiente di trasmissione delle pareti interne sia k = 0,21 Cal / m2 h C (valore non calcolato);
3): il coefficiente di trasmissione delle pareti esterne sia k = 0,18 Cal / m2 h C (valore non calcolato);
4): il coefficiente di trasmissione del pavimento sia k = 0,12 Cal / m2 h C (valore non calcolato);
5): il coefficiente di trasmissione del soffitto sia k = 0,15 Cal / m2 h C (valore non calcolato);
6): il "freddo" sia portato nelle celle con scambiatori di calore simili ai radiatori degli impianti di riscaldamento (in rosso nella pianta);
7): ciascun elemento refrigerante sia in grado di fornire Q* = 20 frigorie all'ora (sottarre Q* = 20 Cal / h).

SCHEMA DI SOLUZIONE

FASE 1: FORMULA

In modo elementare diremo che, a regime, usciranno dalle pareti x frigorie all'ora che devono essere reintegrate dall'impianto. L'espressione da utilizzare (vedi muro di Fourier):

Q = k A Dt = K Dt [ Cal / h ]

nella quale Q il calore (nel nostro caso il freddo) che esce dalle celle, k il coefficiente di trasmissione globale e Dt la differenza di temperatura fra le due facce della parete. Il valore di K si ottiene moltiplicando il valore di k per l'area A della superficie interessata alla trasmissione.

FASE 2: CALCOLO DELLE SUPERFICI A E DEI VALORI K

pavimenti P e soffitti S
locale 1: A1 = 3,8x3,5 = 13,3 m2;                         K1,P = 13,3x0,12 = 1,60 Cal / h C                         K1,S = 13,3x0,15 = 1,99 Cal / h C
locale 2: A2 = 3,2x2 + 5,2x1,5 = 14,2 m2;                         K2,P = 14,2x0,12 = 1,70 Cal / h C                         K2,S = 14,2x0,15 = 2,13 Cal / h C
locale 3: A3 = 1,6x3,5 = 5,6 m2;                          K3,P = 5,6x0,12 = 0,67 Cal / h C                         K3,S = 5,6x0,15 = 0,84 Cal / h C
locale 4: A4 = 3,5x3,4 = 11,9 m2;                         K4,P = 11,9x0,12 = 1,43 Cal / h C                         K4,S = 11,9x0,15 = 1,79 Cal / h C
locale 5: A5 = 1,5x3,4 = 5,1 m2;                          K5,P = 5,1x0,12 = 0,61 Cal / h C                         K5,S = 5,1x0,15 = 0,77 Cal / h C
locale 6: A6 = 3,6x3,4 = 12,2 m2;                         K6,P = 12,2x0,12 = 1,47 Cal / h C                         K6,S = 12,2x0,15 = 1,83 Cal / h C
locale 7: A7 = 1,8x1,5 = 2,7 m2;                          K7,P = 2,7x0,12 = 0,32 Cal / h C                         K7,S = 2,7x0,15 = 0,41 Cal / h C
pareti esterne E
locale 1: A1 = 3,8x2,8 + 3,5x2,8 = 20,44 m2;                         K1,E = 20,44x0,18 = 3,68 Cal / h C
locale 2: A2 = 3,2x2,8 = 8,96 m2;                        K2,E = 8,96x0,18 = 1,61 Cal / h C
locale 3: A3 = 1,6x2,8 + 3,5x2,8 = 14,28 m2;                         K3,E = 14,28x0,18 = 2,57 Cal / h C
locale 4: A4 = 3,4x2,8 + 3,5x2,8 = 18,48 m2;                         K4,E = 18,48x0,18 = 3,37 Cal / h C
locale 5: A5 = 1,5x2,8 = 4,20 m2;                         K5,E = 4,20x0,18 = 0,76 Cal / h C
locale 6: A6 = 3,6x2,8 + 3,4x2,8 = 19,60 m2;                         K6,E = 19,60x0,18 = 3,53 Cal / h C
locale 7: A7 = 1,5x2,8 = 4,20 m2;                         K7,E = 4,20x0,18 = 0,76 Cal / h C
pareti interne I
locale 1: A1,2 = 2,0x2,8 = 5,60 m2;                         K1,2 = 5,60x0,21 = 1,18
I1,7 = 1,8x2,8 = 5,04 m2;                         K1,7 = 5,04x0,21 = 1,06 Cal / h C
locale 2: A2,3 = 3,5x2,8 = 9,80 m2;                         K2,3 = 9,80x0,21 = 2,06 Cal / h C
A2,4 = 1,9x2,8 = 5,32 m2;                         K2,4 5,32x0,21 = 1,12 Cal / h C
A2,5 = 1,5x2,8 = 4,20 m2;                         K2,5 = 4,20x0,21 = 0,88 Cal / h C
A2,6 = 1,8x2,8 = 5,04 m2;                         K2,6 = 5,04x0,21 = 1,06 Cal / h C
A2,7 = 1,5x2,8 = 4,20 m2;                         K2,7 = 4,20x0,21 = 0,88 Cal / h C
locale 3: A3,4 = 1,6x2,8 = 4,48 m2;                         K3,4 = 4,48x0,21 = 0,94 Cal / h C
locale 4: A4,5 = 3,4x2,8 = 9,52 m2;                         K4,5 = 9,52x0,21 = 2,00 Cal / h C
locale 5: A5,6 = 3,4x2,8 = 9,52 m2;                         K5,6 = 9,52x0,21 = 2,00 Cal / h C
locale 6: A6,7 = 1,8x2,8 = 5,04 m2;                         K6,7 = 5,04x0,21 = 1,06 Cal / h C

FASE 3: CALCOLO DELLE DIFFERENZE DI TEMPERATURA

pavimenti P, soffitti S e pareti esterne E
locale 1: Dt1,P = Dt1,S = Dt1,E = 42 C
locale 2: Dt2,P = Dt2,S = Dt2,E = 26 C
locale 3: Dt3,P = Dt3,S = Dt3,E = 57 C
locale 4: Dt4,P = Dt4,S = Dt4,E = 30 C
locale 5: Dt5,P = Dt5,S = Dt5,E = 30 C
locale 6: Dt6,P = Dt6,S = Dt6,E = 47 C
locale 7: Dt7,P = Dt7,S = Dt7,E = 27 C
pareti interne I
locale 1: Dt1,2 = 16 C                         Dt1,7 = 15 C
locale 2: Dt2,3 = 31 C                         Dt2,4 = 4 C                         Dt2,5 = 4 C                         Dt2,6 = 21 C                         Dt2,7 = 1 C
locale 3: Dt3,4 = 27 C
locale 4: Dt4,5 = 0 C
locale 5: Dt5,6 = 17 C
locale 6: Dt6,7 = 20 C

FASE 4: CALCOLO DEGLI SCAMBI TERMICI
PREMESSA: gli scambi termici sono negativi quando l'ambiente adiacente si trova a temperatura inferiore;
infatti in tale caso le frigorie invece di uscire entrano nel locale.

locale 1
Q1 = K1,PxDt1,P + K1,SxDt1,S + K1,ExDt1,E + K1,2xDt1,2 + K1,7xDt1,7 = 1,60x42 + 2,00x42 + 3,68x42 + 1,18x16 + 1,06x15 = 340 Cal / h
locale 2
Q2 = K2,PxDt2,P + K2,SxDt2,S + K2,ExDt2,E + K2,3xDt2,3 + K2,4xDt2,4 + K2,5xDt2,5 + K2,6xDt2,6 + K2,7xDt2,7 - K1,7xDt1,7 = 217 Cal / h
locale 3
Q3 = 322 Cal / h
locale 4
Q4 = 177 Cal / h
locale 5
Q5 = 34 Cal / h
locale 6
Q6 = 399 Cal / h
locale 7
Q7 = 4 Cal / h

FASE 5: CALCOLO DEL NUMERO DI ELEMENTI RADIANTI

locale 1: n1 = Q1 / Q* = 339 / 20 = 17 elementi
locale 2: n2 = Q2 / Q* = 217 / 20 = 11 elementi
locale 3: n3 = Q3 / Q* = 322 / 20 = 17 elementi
locale 4: n4 = Q4 / Q* = 177 / 20 = 9 elementi
locale 5: n5 = Q5 / Q* = 34 / 20 = 2 elementi
locale 6: n6 = Q6 / Q* = 399 / 20 = 20 elementi
locale 7: n7 = Q7 / Q* = 4 / 20 = 1 elemento


OSSERVAZIONI
1: in tutti i locali si sono messi elementi radianti in eccesso in modo da assicurare il raggiungimento della temperatura prevista.
2: la soluzione soltanto approssimativa in quanto non si tenuto conto ad esempio del sistema di distribuzione del fluido freddo(3).
3: invece del sistema con elementi radianti si pu usare il sistema con pannelli radianti, ciascuno dei quali contiene una certa lunghezza di tubi nei quali scorre il refrigerante.
4: ciascun gruppo di elementi radianti accompagnato da un termostato che comanda una elettrovalvola che regola il passaggio del liquido refrigerante (vedi il paragrafo comando e controllo).

(1) Per questo tipo di impianti si usa un linguaggio settoriale per certi aspetti singolare: in pratica si ammette che accanto alle calorie esistano le frigorie, che assumono il significato di "calore sottratto", cio anzich dire "si sottraggono x calorie" si dice "si forniscono x frigorie". In questo modo il segno negativo che sarebbe presente davanti al valore del calore diventa positivo.
(2) Vedi il paragrafo materiali isolanti nel capitolo dedicato all'Astrofisica e il paragrafo calcolo del coefficiente k.
(3) I tubi, che trasportano il fluido freddo, all'interno delle celle non sono isolati per cui contribuiscono alla trasmissione di frigorie. Non si tenuto conto del ricambio d'aria dovuto all'apertura delle porte per le operazioni di deposito o prelievo delle derrate. Non si tenuto conto della eventuale necessit che una cella debba essere raffreddata pi in fretta delle altre, cosa che si pu ottenere per esempio disponendo un numero di radiatori maggiore di quello calcolato.