Problemi di condensazione in un impianto di refrigerazione ad eiezione

Presso il Dipartimento di Energetica dell’Università di Firenze è allestito un impianto sperimentale di refrigerazione, basato su un eiettore a vapore a due stadi, già descritto [1, 2, 3]. L’impianto è progettato per ottenere basse pressioni all’evaporatore, per cui l’ugello primario realizza un’espansione fortemente supersonica. In queste condizioni è impossibile raggiungere condizioni di equilibrio termodinamico del fluido, perciò esso viene spesso trattato come gas perfetto con parametri termodinamici costanti. A supporto di questa impostazione si può fare appello alle curve spinodali, come limite ultimo della condizione metastabile prima del cambiamento di fase [4, 5]. Questo approccio è stato seguito nei lavori precedenti e qui si mostra come le condizioni attese per l’impianto siano effettivamente lontane dalle curve spinodali. D’altro canto, l’espansione modellata con le relazioni dei gas perfetti porta a risultati poco verosimili. Inoltre, le caratteristiche termodinamiche dell’acqua in condizioni metastabili sono da valutare con attenzione: a tal fine è stata introdotta nel modello di calcolo dell’eiettore una serie di relazioni prese da letteratura [6]. In parallelo, si è considerata la trattazione classica della nucleazione omogenea, che prende le mosse dallo studio di ugelli e turbine a vapore operanti con vapore sottoraffreddato e mette in conto l’effetto della tensione superficiale e dello scambio termico sulla formazione e l’accrescimento delle gocce. In base a riferimenti di letteratura aggiornati [7], si è calcolata la velocità di nucleazione, mostrando che essa ha luogo nella gola dell’ugello. Considerando che la fase liquida finemente dispersa offre un’eccellente interfaccia per la condensazione. è verosimile il rapido stabilirsi di condizioni prossime all’equilibrio termodinamico. Si è quindi costruito un modello dell’espansione con vapore saturo, per valutare la massima quantità di condensa e le condizioni di uscita dall’ugello. Tali dati forniscono indicazioni utili per una riprogettazione dell’ugello.