Università degli studi di Roma “La Sapienza”

1. Università degli studi di Roma “La Sapienza” Macchina di Stirling a ciclo inverso Sistema criorefrigerativo di tipo “Pulse Tube" Apparato sperimentale

2. 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 l’esterno). Q esp = Area B’3’4’D’B’ (calore assorbito dal fluido) Qcomp = Area A21CA (calore ceduto all’esterno) L esterno = Area 123’4’1

3. 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

4. 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.: (dall’inglese CoefficientOf 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 l’energia 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: COPfrigCarnot=TF/(TC-TF) L’efficienza definisce allora il rapporto tra il COP della macchina studiata e il COP di Carnot: Εc = COP Reale / COPfrigCarnot Tipicamente, i valori dell’efficienza per le macchine reali oscillano tra 0.01 e 0.5; il valore assunto dall’efficienza dipende principalmente dalla taglia del sistema, con i valori più grandi raggiunti dalle macchine di taglia maggiore.

5. Prestazioni pompa di calore: • C.O.P.: (dall’inglese 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 l’inverso del rendimento termodinamico della macchina motrice; il COP frig Carnot non ha un corrispondente.

6. Tempo di raffreddamento: indica il tempo richiesto dall’apparecchiatura per raggiungere la temperatura di regime, e dipende perciò principalmente dalla taglia della macchina. Per sistemi a bassa capacità, esso è solitamente dell’ordine di alcune decine di minuti. • MTBM e MTBF: MeanTimeBeforeMaintenance (tempo medio prima della manutenzione) e MeanTimeBeforeFailure (tempo medio prima di un guasto). Essi rappresentano sostanzialmente degli indici di affidabilità del sistema.

7. Il ciclo reale Effetti di riduzione delle prestazioni: • Effettiva distribuzione del fluido operante nei diversi componenti; • Differenze di pressione e temperatura; • L’esistenza 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.

8. Aumento della potenza meccanica richiesta L’aumento 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

9. 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.

10. 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 dall’efficienza 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 dell’1% 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

11. 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 l’ambiente 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 d’onda 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

12. 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 nell’armatura 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 all’esterno e ghiacciano determinando la rottura delle membrane cellulari.

13. 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

14. 1-2 - Compressione isoterma 2-3 - Riscaldamento isocoro rigenerativo 3-4 - Espansione isoterma 4-1 - Raffreddamento isocoro rigenerativo Ciclo Stirling:

15. Ciclo Inverso

16. Orifizio TEMPERATURA Fig. 2 Ciclo Completo di Funzionamento Fig. Schema semplificativo Effetto Shuttle

17. 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.

18. Pulse Tube Refrigerator • Piccole potenze • Piccole dimensioni • Assenza di parti in movimento alla testa fredda • Ridotte vibrazioni • Ridotta manutenzione • Economicità

19. Figura 4 Schema del sistema di acquisizione Apparato sperimentale • Compressore Volumetrico: Pmedia = 16 Bar ΔP = 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 dell’ordine dei 10-6 bar • Sensori di pressione e temperatura

20. Sperimentazione:Grandezze 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

21. Sperimentazione, elaborazione:Potenza dissipata Potenza dissipata La maggior parte delle perdite sono da imputare al rigeneratore, presente anche in tutti gli altri criorefrigeratori

22. Sperimentazione, elaborazione:Confronto potenza refrigerante e efficienza Rigeneratore 1 Rigeneratore 2