LE POMPE DI CALORE

Una pompa di calore è un sistema termodinamico che trasferisce il calore da un corpo a temperatura relativamente bassa o moderata (sorgente) ad un corpo a temperatura più alta (corpo da trattare) .

Questo trasferimento di calore necessita un certo consumo di energia.

La pompa di calore non crea energia, ma trasferisce una certa quantità di energia termica nobilitandola, vale a dire elevandone il suo livello termico, e permette così di recuperare energia a basso livello termico e sovente inutilizzabile.

Si può giustamente ritenere che non esiste differenza di principio tra la macchina frigorifera e la pompa di calore. L' unica differenza risiede nello scopo ultimo dei due sistemi: la macchina frigorifera deve mantenere un certo ambiente ad una temperatura inferiore a quella esterna trasferendo il calore (in modo continuo) dall'ambiente da raffreddare a quello esterno di temperature più elevata .

Secondo il primo principio della termodinamica l' energia necessaria al funzionamento della macchina si aggiunge al calore estratto per essere trasferita all' ambiente esterno.

Con la pompa di calore, si fornisce calore ad un ambiente da riscaldare ad una temperature superiore a quella dell'ambiente da cui si estrae il calore necessario, analogamente ad un sistema di compressione. Esistono sempre due sorgenti a temperature differenti, ma nel caso della pompa di calore l' energia utile è l' energia sottratta alla sorgente fredda aumentata della energia del compressore.

Il coefficiente di resa di una pompa di calore è il rapporto fra la quantità di calore fornita al corpo caldo Q e l'energia utilizzata per la compressione W:

e = Q/W

Il valore di e dà informazioni sull'efficienza di una pompa di calore comparata con un riscaldamento tradizionale che consuma la medesima quantità di energia.

L'evaporatore E permette di raccogliere il calore da una sorgente fredda, mentre il condensatore C permette di restituire il calore prelevato nell'evaporatore all'ambiente da riscaldare.

Il sistema di espansione D è destinato a mantenere la differenza di pressione tra condensatore ed evaporatore. Per ottenere un funzionamento regolare, evitando gli sbilanciamenti di pressione, si installa un serbatoio di riserva R.

La maggior parte delle pompe di calore comporta una regolazione del tipo tutto o nient della potenza del compressore; occorre sovente installare un sistema di by-pass che degradi l'energia o prevedere un variatore di velocità o di tensione.

La differenza di pressione necessaria affinchè il fluido possa circolare tra l'evaporatore ed il condensatore può essere ottenuta da un assorbitore; un liquido ausiliario assorbe il vapore del fluido principale e crea la depressione voluta. Nel bollitore il liquido ausiliario è separato dal vapore in maniera continua. Si ha una pompa di calore ad assorbimento.

Possibili sviluppi

Tutti i tecnici sono convinti che le pompe di calore assumeranno un ruolo importante nella lotta per economizzare energia. Nelle industrie che richiedono temperature e potenze di riscaldamento limitate, in particolare negli impianti di essicazione, piccole pompe di calore hanno dimostrato in modo definitivo la loro utilità. Si tratta di pompe di qualche kW di potenza.

Utilizzo delle pompe di calore nei processi di essiccazione

Il bilancio termico degli essiccatori industriali mostra che nella maggior parte dei casi più dell' 80% della energia di essiccazione è utilizzata per evaporare l' acqua contenuta nel prodotto.

Il restante 20% è rappresentato da: perdite termiche, riscaldamento del prodotto, riscaldamento dell'aria esterna fredda che penetra nell' essiccatore se è mantenuto in depressione .

E' quindi possibile recuperare una quantità importante di energia consumata per l'essiccazione condensando il vapor d' acqua estratto dall' essiccatoio. Questo vapor d' acqua è solitamente miscelato con aria; la condensazione potrà essere ottenuta raffreddando l' aria umida lungo la sua curva di rugiada. L' energia di essiccazione così recuperata è disponibile a bassa temperatura, e non può essere utilizzata direttamente; la pompa di calore avrà lo scopo di innalzare il livello termico dell' energia recuperata permettendo sia il riscaldamento dell' aria calda nel caso di un essiccatore a convezione, sia la produzione di vapore a pressione più o meno elevata nel cilindro riscaldante nel caso di una essiccazione per conduzione .

Essicamento per convezione ad aria calda

Principio di funzionamento della pompa di calore.

L'aria è riscaldata dal condensatore della pompa di calore. Nell' essiccatore l' aria, raffreddandosi, si carica di vapore. L' aria umida, eventualmente saturata, che lascia l' essiccatore, passa sull' evaporatore della pompa di calore dove è raffreddata: ciò consente la condensazione di una parte del vapor d' acqua contenuto.

L' aria così deumidificata, ma satura in vapor d' acqua alla temperatura di uscita dall' evaporatore, viene ricircolata sul condensatore della pompa di calore . L' energia introdotta nel sistema sotto forma di energia meccanica di compressione, supera le perdite termiche dell' insieme ed è quindi necessario dissipare l'energia in eccesso disponibile al condensatore .

L' equilibrio termico dell' impianto può essere ottenuto provvedendo ad un ricambio parziale dell' aria ricircolata con aria esterna. Un' altra soluzione consiste nell' utilizzare un condensatore ausiliario. Il calore in eccesso può essere dissipato per mezzo di un fluido: aria o acqua. Quando si ha una utenza che richiede aria calda o acqua calda per altri scopi, le rese globali sono migliori .

Limitazioni all' uso delle pompe di calore.

Esse sono essenzialmente tecnologiche: attualmente le pompe di calore disponibili sul mercato non consentono di superare i 120° C al condensatore.

Questa limitazione non è tuttavia la più stringente . Occorre che il coefficiente di resa sia superiore a 3 o 4 affinché una pompa di calore sia interessante , e ciò limita lo scarto tra la temperature di evaporazione e di condensazione a 50-60 °C . Per poter condensare il vapor d' acqua contenuto nell'aria estratta dall' essiccatore , è necessario raffreddare quest' aria ad una temperatura tanto più bassa quanto più è basso il titolo di vapore . Così , se l'aria umida deve essere raffreddata a 50°C affinché una frazione considerevole del vapor d' acqua sia condensata , non bisognerebbe riscaldare l' aria deumidificata a più di 100 °C per conservare un coefficiente di resa accettabile : da 3 a 3,5 a seconda dei materiali utilizzati . Questa constatazione mette in evidenza un fatto importante: non è la tecnologia che limita l'impiego delle pompe di calore nel campo dell' essiccazione con aria calda, ma il principio stesso di funzionamento di questi sistemi .

Un' altra limitazione all' impiego delle pompe di calore deriva dalle modifiche alle condizioni di essiccamento. In un essiccatoio ad aria calda, la quantità di aria immessa è inversamente proporzionale alla caduta di temperatura dell' aria attraverso l' essiccatoio. Le pompe di calore che utilizzano deboli salti termici conducono molto spesso ad avere grandi portate d' aria che a loro volta costringono ad aumentare la grandezza dell' essiccatoio. Questo effetto non risulta molto evidente quando il prodotto è termosensibile poiché le tecniche classiche di essiccazione utilizzano aria riscaldata, in generale a meno di 150 °C . Viceversa per i prodotti non termosensibili, ad esempio la sabbia, per i quali di solito si usa aria riscaldata a 500 o 600 °C, l'utilizzo di una pompa di calore implica un aumento della portata d' aria di un fattore pari a dieci o venti: In questo caso l' economia di energia ottenuta non permette di compensare l' aumento di prezzo dell' essiccatoio.