Centrali frigorifere principali componenti - Teknologiempianti · preceduta dalla compressione del...

Sommario

• Le centrali frigorifere a compressione e loro componenti

• I compressori

• Condensatori

• Organi di laminazione

• Evaporatori

Certificazione Frigoristi 2

La refrigerazione è un aspetto particolare della trasmissione del calore; essa coinvolge la produzione e l'utilizzazione di temperature al di sotto di quella ambiente.

Il raffreddamento delle sostanze richiede che il loro calore venga trasferito, attraverso una caduta di temperatura, a mezzi solidi o liquidi o gassosi che si trovano naturalmente oppure sono stati portati artificialmente a una temperatura più bassa.

Nelle applicazioni pratiche presenta un interesse rilevante il raggiungimento di temperature più basse per il fluido (chiamato il refrigerante) che circolando continuamente, asporta calore attraverso due processi:

1. espansione del fluido refrigerante attraverso una caduta di pressione in una strozzatura (valvola di espansione o laminazione) senza produzione di lavoro esterno; 2. espansione del fluido attraverso un salto di pressione in un turboespansore con Produzione di lavoro esterno.

I sistemi che realizzano questi due diversi processi prendono nome rispettivamente di:

1. Compressione di vapore in quanto l'espansione di un liquido saturo deve venir preceduta dalla compressione del suo vapore. L'evoluzione di questo ciclo avviene prevalentemente nella regione liquido-vapore;

2. Compressione di gas in quanto l'espansione del gas deve venir preceduta dalla compressione del gas. L'evoluzione di questo ciclo avviene completamente in fase gassosa.

Più in generale possiamo classificare le macchine frigorigene: 1. a compressione di vapore; 2. a compressione di gas; 3. ad assorbimento; 4. a effetto termoelettrico; 5. a termocompressione.

Oltre ai primi due tipi, presenta interesse per le applicazioni la macchina frigorigena ad assorbimento, può essere considerata una variante della macchina frigorigena a compressione di vapore.

Parliamo di Laminazione

Avviene quando la presenza di una valvola parzialmente aperta (parzializzazione) oppure la strozzatura creata da un capillare in un condotto portano a una caduta di pressione del gas che si muove con moto stazionario e uniforme.

In molti casi questo processo avviene in un tempo talmente breve e in uno spazio talmente ridotto che non vi è tempo sufficiente né una sezione sufficientemente grande per

scambiare elevate quantità di calore; il processo può perciò essere considerato adiabatico. Dal momento che non si produce lavoro (le pareti del condotto sono fisse),

non vi è variazione di energia potenziale e neppure calore scambiato. Questo fa si che in molti casi l'incremento di energia cinetica sia trascurabile risulta allora

H1 = H2 Questa equazione ci dice che l'entalpia finale h2 è, in una laminazione, uguale all'entalpia iniziale h1. La trasformazione è perciò isoentalpica; È anche irreversibile, a causa delle forti dissipazioni generate dalla strozzatura nel moto del fluido.

CICLO INVERSO il ciclo frigorigeno è un ciclo inverso. Ricordiamo che, al contrario di quello che avviene nel

ciclo diretto dove l'obiettivo è quello di produrre lavoro, il ciclo inverso è un ciclo percorso

in senso antiorario che assorbe lavoro, prelevando il calore q, dalla sorgente inferiore e

cedendo il calore qs alla sorgente superiore;

l'area del ciclo inverso nel piano p_v rappresenta questa volta un lavoro negativo, fatto

cioè dall'esterno sull'unità di massa del fluido durante il ciclo, mentre nel piano T_s

rappresenta una quantità di calore negativa, iI calore cioè che viene trasmesso dal sistema

all'esterno.

Un ciclo inverso viene realizzato collegando tra loro, in un circuito chiuso lungo il

quale circola il fluido di lavoro, quattro elementi fondamentali:

1- 2 vapore saturo, a bassa pressione, entra nel compressore e subisce una compressione adiabatica reversibile (compressione isoentropica);

2 - 3 il calore qs viene ceduto all'ambiente alla temperatura superiore in un processo di condensazione a pressione costante attraverso uno scambiatore di calore, il condensatore, da cui il fluido di lavoro esce come liquido saturo;

3 - 4 un processo di laminazione adiabatica, che viene realizzato in un organo di espansione, la valvola di laminazione, nel quale il fluido passa dalla pressione più alta alla pressione più bassa, diminuendo contemporaneamente la propria temperatura e conservando l'entalpia, che aveva inizialmente (espansione isoentalpica);

4-1 i il calore q1, viene ricevuto dall'ambiente a

temperatura inferiore in un processo di evaporazione

a pressione costante attraverso uno scambiatore di

calore, l'evaporatore, in modo da chiudere il ciclo.

COEFFICIENTE EFFETTO FRIGORIGENO Le prestazioni di un ciclo inverso frigorigeno vengono espresse attraverso il coefficiente di effetto frigorigeno Bf definito da:

Bf = ql/l dove ql, è chiamato effetto frigorigeno, rappresenta il calore massico sottratto alla sorgente a temperatura inferiore dall'evaporatore ed è pari a:

ql = h1 – h4 l è il lavoro speso nel ciclo e corrisponde al lavoro interno li fornito dal compressore, dato dalla relativa differenza di entalpia:

l = h2 – h1

Ricordiamo poi in base al primo principio della termodinamica che il lavoro l fornito è legato al calore ceduto dal condensatore qs e il calore sottratto nell'evaporatore ql dalla relazione:

l = qs – ql da cui …. qs= ql + l dove qs è la differenza di entalpia per desurriscaldare e successivamente condensare il vapore nel tratto 2 – 3

qs = h2 – h3 Ricordiamo infine che la potenza P si ottiene come prodotto della portata in massa del fluido di lavoro m per il calore massico q:

P = m * q relazione che viene utilizzata non tanto per ricavare la potenza, di solito assegnata, quanto per ottenere la portata di fluido di lavoro necessaria per soddisfare le richieste di un dato impianto.

La rappresentazione dei cicli inversi viene fatta di solito nel diagramma pressione p (in ordinate) ed entalpia h (in ascisse). La Figura mostra lo scheletro di un diagramma p_h con riportate la curva limite che racchiude la regione liquido-vapore, insieme alla posizione del punto critico, e le linee principali caratterizzate dalla costanza di titolo x, volume massico v, temperatura T, entropia s, pressione p (quest'ultima all'interno della regione liquido-vapore si sovrappone alla linea a T costante); naturalmente i segmenti di retta verticali sono le isoentalpiche.

CICLO IDEALE L'effetto frigorigeno ql relativo alla evaporazione del fluido di lavoro a pressione (e temperatura) costante si legge sulle ascisse come differenza tra h1 e h4.

Il lavoro di compressione l che avviene lungo la linea a entropia costante piegata verso destra, viene letto, in ascissa, come differenza tra h2 e h1.

Il calore ceduto dal condensatore qs, che avviene inizialmente, durante la fase di desurriscaldamento del vapore, a pressione costante e successivamente sempre alla stessa pressione costante (ma anche a temperatura costante), durante la condensazione, viene letto sempre sulle ascisse come differenza di h2 e h3.

Infine la laminazione da 3 a 4, essendo un'lsoentalpica, permette di far individuare il punto 4 scendendo dallo stato di liquido saturo in 3 lungo il tratto verticale 3 - 4 fino a incontrare l'orizzontale, a pressione costante, lungo cui avviene l'evaporazione.

Sempre sul diagramma p_h conviene rilevare il volume massico V1 [m3/kg] nel punto 1 in modo da calcolare, nota la portata in massa m [kg/s] del fluido la portata in volume Vi [m3/s].

V1 = m * v Questo dato è utile per il dimensionamento del compressore. Nel caso in cui la portata sia inferiore a 0,24 m3/s conviene utilizzare un compressore alternativo, mentre al di sopra di questo valore si preferisce utilizzare un turbocompressore. Le temperature di evaporazione e di condensazione, evidenziate sul ciclo sono necessariamente diverse da quelle dell'ambiente a cui si vuole rispettivamente sottrarre e cedere calore. L'evaporatore e il condensatore sono infatti degli scambiatori e quindi, per garantire lo scambio termico, occorre che, durante l'evaporazione, il fluido si trovi a una temperatura più bassa di quella dell'ambiente dal quale esso assorbe calore, mentre, durante la condensazione, il fluido si deve trovare a una temperatura maggiore di quella dell'ambiente al quale esso cede calore. Queste differenze di temperatura sono in genere dell'ordine di circa 10°C; così se, ad esempio, si vuole mantenere la temperatura di una cella per la conservazione di alimenti alla temperatura di -10 °C con una temperatura dell'ambiente esterno pari a + 20°C, la temperatura di evaporazione del fluido nel ciclo dovrà essere di - 20 °C, mentre quella di condensazione dovrà essere pari a + 30°C.

In questo caso la differenza di temperatura tra i due ambienti, la cella fredda e l'esterno caldo, è pari a 30°C, mentre la differenza tra la temperatura di evaporazione e quella di condensazione del fluido nel ciclo è pari a 50°C. In genere si cerca di tener più bassa possibile la differenza di temperatura tra evaporazione e condensazione per ovvi motivi di risparmio di energia. In alcuni casi tuttavia altre considerazioni di ingombro e di condizioni di lavoro dell'evaporatore e del condensatore intervengono a modificare in modo sostanziale il criterio prima enunciato. Ad esempio, nei condizionatori da finestra l'ambiente dal quale l'evaporatore preleva calore si può trovare a 25°C e il fluido evapora a O °C, mentre l'ambiente a cui il condensatore cede calore può trovarsi a 35 °C e il fluido condensa a 50°C; perciò una differenza di temperatura tra i due ambienti di 10°C, deve essere amplificata fino a 50°C nel ciclo in cui opera il fluido.

CICLO REALE

Il ciclo effettivo di refrigerazione differisce dal ciclo ideale principalmente a causa della caduta di pressione che il fluido incontra nel muoversi all'interno delle tubazioni che collegano i vari elementi dell'impianto e per il trasferimento di calore verso oppure dall'esterno.

La Figura mette in rilievo la caduta di pressione all'aspirazione e quella relativa alla mandata.

In questa figura è anche possibile osservare la leggera condizione di surriscaldamento del vapore all'inizio della compressione (1 al posto dello stato 1’ di vapore saturo) con l'obiettivo di evitare che il fluido aspirato dal compressore contenga tracce di liquido; nel caso infatti di un compressore alternativo, alla fine della corsa di compressione, la presenza di liquido nello spazio morto del cilindro potrebbe addirittura portare al distacco della testa del cilindro per la mancanza di comprimibilità del liquido.

Sempre sulla Figura si osserva il leggero sottoraffreddamento del liquido, fenomeno per cui il fluido cede calore nel condensatore non solo fino a condensare completamente (tratto 2 – 3’), ma si raffredda ulteriormente (da 3’ a 3), sempre alla stessa pressione.

Fino a ora abbiamo trattato il caso di impianti che lavorano con differenze di temperatura tra evaporazione e condensazione piuttosto modeste. Nelle applicazioni si trova spesso la necessità di realizzare un'elevata differenza di temperatura, a cui va associato un alto valore del rapporto tra la pressione iniziale e finale del vapore. Si fa uso allora di una compressione in due stadi. Rispetto alla compressione in un solo stadio questa compressione permette di raggiungere temperature più basse alla fine della compressione con un lavoro di compressione più modesto a causa del raffreddamento intermedio, che fa scendere la temperatura.

Le centrali frigorifere

I fabbisogni termici

ACQUA

REFRIGERATA /

VETTORE FREDDO

CONDIZIONAMENTO

REFRIGERAZIONE

GRUPPO

FRIGORIFERO

ACQUA CALDA / VETTORE CALDO

(in pompa di calore)

RISCALDAMENTO

ACQUA CALDA /

VETTORE CALDO

(in recupero di calore)

POSTRISCALDAMENTO

ACQUA CALDA

SANITARIA



RIPASSANDO Il ciclo del sistema frigorifero a compressione consiste in una sequenza di cambiamenti di stato ottenuti mediante la compressione e l'espansione del fluide refrigerante che circola nell'impianto. Le fasi di evaporazione e di condensazione attuano il trasferimento di calore dall'aria di cella che lambisce l'evaporatore, all'aria o all'acqua in cui è immersa la serpentina del condensatore. 1) I fluidi assorbono calore (calore latente di evaporazione) nel passaggio dallo stato liquido allo

stato aeriforme, e lo restituiscono interamente quando dallo stato gassoso tornano allo stato liquido (calore latente di condensazione)

2) La temperatura alla quale avviene il cambiamento di stato (o di fase) di una sostanza è influenzata dalla pressione, ma rimane costante per tutta la durata del cambiamento di stato.

3) L'energia si manifesta sotto varie forme (meccanica, elettrica, chimica, termica). La si può trasformare dall'una all'altra forma, ma non la si può distruggere (il calore quindi si può trasferire o trasformare, ma non sopprimere).


4) Il calore fluisce sempre spontaneamente da un corpo più caldo a un corpo più freddo.

5) Lo scambio termico è favorito dai materiali che sono buoni conduttori di calore (in diversa misura, tutti i metalli) mentre è ostacolato dai materiali coibenti (o isolanti).

6) Il volume di un gas varia col variare della pressione cui è sottoposto. A una determinata temperatura, se il volume di una determinata quantità di gas aumenta, la pressione diminuisce in proporzione inversa; se il volume diminuisce, aumenta la pressione in modo che il prodotto p x V rimane costante.

7) l processi fisici che interessano i fluidi refrigeranti (trasformazioni di energia e cambiamenti di stato) vengono fatti avvenire industrialmente in modo controllato e ripetitivo, secondo l'ordine del ciclo frigorifero.

8) In un ciclo frigorifero il fluido si carica di calore in cella e diventa vapore, poi restituisce il calore all'esterno ritornando liquido.


I sistemi di refrigerazione l sistemi pratici di refrigerazione che hanno trovato applicazione su scala industriale sono tre: il sistema ad assorbimento, il sistema basato sull'effetto Peltler, quello a compressione. Il sistema ad assorbimento è stato impiegato nel primo periodo di diffusione della refrigerazione domestica (in Italia col marchio Sibir). Ha un costo d'esercizio elevato ed è stato quindi accantonato, ma potrebbe avere un rilancio (specialmente nel campo del condizionamento) qualora divenisse possibile attingere a sorgenti di calore poco costose, come l'energia solare. L'effetto Peltier, che si manifesta col raffreddamento di una saldatura tra due metalli diversi, quando attraverso di essa sia fatta passare una corrente elettrica, ha consentito recentemente la realizzazione di speciali unità frigorifere molto compatte e leggere, adatte per il trasporto su automezzi di preparati farmaceutici deperibili. Il sistema di gran lunga più diffuso in tutti i campi di applicazione (refrigerazione domestica, commerciale, industriale e condizionamento) è il sistema a compressione, basato appunto sulla periodica compressione di una carica di gas refrigerante, per mezzo di un compressore ad azione meccanica.


Il sistema a compressione Il sistema frigorifero a compressione è costituito da un circuito a tenuta che connette i suoi principali componenti: il compressore, il condensatore, la valvola di espansione (o il capillare), l'evaporatore. Tali componenti e i loro accessori sono disposti secondo varie configurazioni che attuano il medesimo principio di funzionamento nei modi più adatti alle specifiche applicazioni. Per comodità abbiamo scelto a protagonista di queste pagine un sistema frigorifero composto da una unità motocondensante, dotata di compressore di tipo aperto, e da un evaporatore ventilato (nel quale cioè lo scambio termico è attivato dalla presenza di ventilatori). I fenomeni che descriveremo come riferiti a questo sistema sono i medesimi su cui si basa il funzionamento di sistemi di minore potenza (generalmente dotati di compressore ermetico e di evaporatore non ventilato) o di potenza maggiore (i quali fanno talvolta ricorso a macchine più complesse).


Nello schema i principali componenti di un sistema a compressione munito di compressore aperto: 1. motore

elettrico; 2. trasmissione a cinghie; 3. compressore; 4. condensatore; 5. ricevitore di liquido;

6. filtro deidratore; 7. indicatore di passaggio del liquido; 8. valvola d'espansione; 9. evaporatore; 10. bulbo del

sensore iermostatico; 11. linea di aspirazione.

Due sistemi frigoriferi: per armadio (sopra) e per vetrina (sotto) muniti di compressore

ermetico, condensatore ventilato (con e senza cono convogliatore) ed evaporatore statico.


Tipologie costruttive

Cicli a compressione meccanica: impiegano compressori che utilizzano energia meccanica per comprimere un fluido frigorigeno. L’energia meccanica è usualmente fornita da motori elettrici.

Cicli ad assorbimento: si basano sul potere assorbente di un composto chimico che utilizza energia termica, fornita da acqua calda o surriscaldata, vapore o gas.


Le centrali frigorifere a compressione

Componenti principali

1. Compressore

2. Condensatore 1 2

3. Valvola di espansione

4. Evaporatore 4 3



Tipologie di condensazione

…CON TORRE EVAPORATIVA

AD ARIA AD ACQUA



Tipologie di evaporazione

AD ARIA AD ACQUA



Componenti ausiliari possibili

• Resistenza elettrica antigelo evaporatore

• Resistenza carter compressore • Pannello comandi • Filtro acqua • Flussostato • Trasduttori alta pressione • Trasduttori bassa pressione • Modulo idronico



Varianti costruttive

Monoblocco:

Tutti i componenti si trovano

in un unico assieme




Unità motoevaporante:

Costituita da compressore ed

evaporatore, generalmente

posta all’interno di una

centrale tecnica, collegata

con un condensatore ad aria

posto all’esterno




Unità motocondensante:

Costituita da compressore e

condensatore, generalmente

posta all’esterno, collegata ad

unità ad espansione diretta

installate all’interno



L'unità motocondensante è l'aggregato dei dispositivi che provocano la condensazione in forma liquida del gas refrigerante a temperatura ambiente. Essa si compone di un compressore, di un condensatore e di una linea del liquido, spesso corredata di un serbatoio denominato ricevitore di liquido.

Si definisce unità motocondensante la sezione di alta pressione di un sistema frigorifero a compressione. Essa è composta essenzialmente di un motore elettrico (che definiremo motore di trazione, per distinguerlo da quelli di minore potenza adibiti alla sola ventilazione), di un compressore e di un condensatore. La funzione dell'unità motocondensante è quella di aspirare gas proveniente dall'evaporatore, comprimerlo e farlo condensare allo stato liquido durante il passaggio nel condensatore. Le unità motocondensanti assumono varie configurazioni a seconda del loro impiego e della loro potenza.

Possono essere costituite da un compressore ermetico, o semi ermetico, o di tipo aperto, combinato con un condensatore ad aria o con un condensatore ad acqua. Vedremo più oltre le particolarità costruttive di questi diversi componenti (i quali rappresentano altrettanti modi di raggiungere lo stesso fine). Osserviamo qui che alcune di queste combinazioni presuppongono la presenza di una grande ventola, direttamente calettata sulla puleggia motrice, la quale ha il compito di raffreddare il condensatore e il compressore.

In certi casi occorre predisporre un sistema di raffreddamento indipendente per il compressore. Le soluzioni alternative più frequenti sono: - Per il compressore di tipo aperto: circolazione di acqua nella testa. - Per il compressore di tipo semiermetico: circolazione di acqua in una serpentina avvolta sul corpo del compressore stesso; iniezione di refrigerante liquido; flusso del gas di aspirazione attraverso il corpo motore-compressore.


In alcuni casi si fa ricorso anche alla applicazione di un ventilatore supplementare con flusso d'aria diretto sul rubinetto di scarico del compressore, che è il punto più caldo di questo. - Per il compressore ermetico (oltre alla circolazione di gas freddo proveniente dall'evaporatore): iniezione di refrigerante liquido prelevato dalla linea di alta pressione. Meno frequentemente si fa ricorso alla applicazione

di un ventilatore supplementare.


Dati tecnici

CIRCUITO FRIGORIFERO GENERALE: • Potenza frigorifera (kW) • Potenza assorbita totale (kW) • EER – rendimento energetico • Corrente assorbita (A) • Refrigerante • Numero di compressori • Numero di circuiti • Gradini di parzializzazione • Potenza sonora(dBA) • Pressione sonora (dBA) • Dimensioni e pesi

EVAPORATORE: • Portata di acqua o aria (l/h o

m3/h) • Perdita di carico (kPa)

CONDENSATORE: • Portata di acqua o aria (l/h o

m3/h) • Perdita di carico (kPa) • Numero di ventilatori • Potenza elettrica ventilatori (kW)



Condizioni standard di riferimento in modalità frigo

30°C 35°C T. Aria 35°C

12°C 7°C 12°C 7°C



Condizioni standard di riferimento in modalità pompa di calore

40°C 45°C 40°C 45°C

10°C 5°C T. Aria 7°C



Criteri di scelta del tipo di macchina Principali:

• Potenza frigorifera richiesta

• Tipo di fluido frigorigeno

• Efficienza energetica

Altri:

• Eventuale disponibilità di acqua calda (gruppi di cogenerazione, pannelli solari)

• Eventuale disponibilità di acqua per il raffreddamento del condensatore;

• Aspetti economici (costo inziale, costo di esercizio, costo del ciclo di vita)

• Luogo di installazione (condensatore ad aria o ad acqua)

• Funzionamento per sola produzione di acqua refrigerata oppure produzione anche di acqua calda (pompa di calore o recupero di calore)

• Impatto acustico



Scelta del refrigeratore d’acqua in funzione della potenza

Potenza Compressore Evaporatore Refrigerante

< 1000 kW Scroll A piastre R-407C, R410A

Tra 1000kW e 2000 kW

Vite o Centrifughi Oil free

Piastre, fascio tubiero (espansione

diretta o allagato)

R-134a

> 2000kW Centrifugo Allagato R-134a


I compressori

P

h


I compressori

Il compressore alternativo è una macchina che aspira e comprime il gas refrigerante, provocando insieme il suo flusso nel circuito e le condizioni di pressione necessarie per vaporizzarlo a bassa temperatura e per condensarlo a temperatura ambiente.

Seguiamo il percorso del fluido refrigerante: che cosa avviene nella compressore?

Il compressore è il "cuore" del sistema frigorifero, perché fornisce il lavoro necessario a mantenere in funzione il ciclo. Il suo compito è quello di fornire al condensatore fluido refrigerante ad alta pressione, in modo di renderne possibile la liquefazione a una temperatura che sia tecnicamente ed economicamente possibile mantenere nel condensatore stesso. Il fluido refrigerante, nel percorso che compie dall'uscita dell'evaporatore all'uscita della valvola di scarico del compressore, subisce variazioni di pressione, entalpia e temperatura, pur conservando la sua condizione di gas. Il fluido lascia l'evaporatore alla pressione e alla temperatura di evaporazione (vapore saturo), assorbe calore attraverso la tubazione di aspirazione (benché questa sia isolata) con aumento di entalpia e di temperatura.

I compressori

Nei compressori ermetici e in alcuni semiermetici lambisce il motore elettrico, lo raffredda, e assorbe quindi altro calore, che produce un ulteriore aumento del suo contenuto entalpico e del suo livello di temperatura. Il fluido arriva perciò alla valvola di aspirazione del compressore in condizione di vapore surriscaldato. Attraverso la sua compressione, il vapore diminuisce di volume, aumenta considerevolmente di pressione e temperatura, surriscaldandosi ulteriormente.

La modifica dei valori di pressione e volume, non porta di per sé a una rilevante variazione della temperatura: è l'energia impiegata per comprimere il gas che si trasferisce in gran parte al gas stesso sotto forma di calore (calore di compressione) e fa salire la temperatura. Il gas lascia quindi il compressore a una pressione tale da rendere possibile la condensazione, ma con una temperatura notevolmente superiore al livello al quale la condensazione può effettivamente aver luogo.

I compressori

Tipologie di compressori

I compressori vengono tradizionalmente classificati in compressori volumetrici e in

compressori centrifughi.

Nei COMPRESSORI VOLUMETRICI (positive displacement) la compressione viene attuata

sostanzialmente intrappolando un certo volume di gas alla pressione di aspirazione, riducendo progressivamente lo spazio a disposizione ed aumentando quindi la

pressione. Sono decisamente i più diffusi nella gamma di potenze da piccola a medio- grande (impianti con potenza frigorifera inferiore a 2000kW)

Nei COMPRESSORI CENTRIFUGHI, impiegati per principalmente per taglie grandi, l’effetto

di compressione è dovuto alla forza centrifuga esercitata sul gas da un elemento

girante a velocità relativamente elevata. All’effetto di spinta centrifuga si aggiunge la

trasformazione a valle della girante dell’energia cinetica acquistata dal gas in energia

di pressione per progressiva riduzione di velocità in un elemento diffusore (voluta).


I compressori volumetrici

Tipologie di compressori volumetrici

I compressori volumetrici sono suddivisi in funzione della

meccanica con cui è compresso il volume di gas.

Le tipologie sono:

• alternativi, a pistoni

• a vite

• rotativi a palette o a eccentrico

• scroll


Compressore a pistoni

Un compressore alternativo di tipo bicilindrico verticale, sezionato per mosirarne l'interno. I principali componenti sono: 1. cilindro; 2. pistone; 3. biella; 4. albero a manovelle; 5. contrappeso eli equilibratura: 6. carter; 7. valvola automatica di aspirazione; 8. Valvola automatica di scarico; 9. Rubinetto di aspirazione; 10. cuscinetto di banco.

Il compressore alternativo Il compressore più diffuso nel settore della refrigerazione è quello alternativo, così denominato dal moto alternativo che ne caratterizza il funzionamento. In forma schematica, il compressore alternativo è costituito da un cilindro cavo entro il quale scorre un corpo cilindrico a tenuta (lo stantuffo o pistone). Il cilindro è chiuso a una estremità da una testa munita di valvole. Quando il pistone si allontana dalla testa, esso genera una depressione nello spazio sovrastante. La differenza di pressione fa si che il gas che si trova nella linea di aspirazione apra la valvola automatica di aspirazione e riempia la cavità del cilindro. Non appena il pistone comincia la sua corsa di riavvicinamento alla testa, la valvola di aspirazione si chiude e il gas viene compresso, sino a quando la sua stessa pressione determina l'apertura della valvola automatica di scarico. Il gas compresso può allora inoltrarsi nella tubazione che lo conduce al condensatore.


Non tutto il gas compresso viene espulso, perché il pistone - per ragioni costruttive - lascia sempre un piccolo spazio tra la propria sommità e la testa del cilindro (il cosiddetto spazio nocivo). La quantità di gas che rimane imprigionata nello spazio nocivo torna a espandersi e ostacola l'afflusso di nuovo gas quando il pistone inizia la successiva corsa di aspirazione: lo spazio nocivo è quindi uno dei fattori di perdita di efficienza della macchina.

Perché il compressore possa svolgere il proprio lavoro, occorre dotarlo di un motore di trazione, il quale eroghi la potenza necessaria si impiegano sempre motori elettrici (maggiore silenziosità, assenza di vibrazioni, basso costo di esercizio, nessun problema di rifornimento). l compressori aperti sono collegati al motore con un giunto o una trasmissione a cinghie trapezoidali. Il prolungarsi all'esterno dell'albero del compressore richiede l'adozione di un elemento di tenuta (premistoppa) che è il punto più vulnerabile dell'ermeticità. Nei compressori costruiti in serie il motore elettrico è coassiale all'albero del compressore (in pratica motore e compressore hanno l'albero in comune): ciò consente di racchiudere motore e compressore in un unico involucro stagno, evitando così la necessità di ricorrere all'anello di tenuta.


Principio di funzionamento

Un pistone, muovendosi in modo alternativo all’interno di un cilindro, comprime il volume di gas che entra attraverso le valvole di aspirazione ed esce attraverso le valvole di mandata.

Il compressore è generalmente costituito da:

1. Filtro 2. Motore 3. Molla della testa 4. Valvola di mandata 5. Valvola di

aspirazione 6. Pistone 7. Scaricatore 8. Cilindro



Ciclo

1. Il pistone raggiunge il punto morto inferiore (PMI) e inizia la risalita comprimendo il gas.

2. Quando la pressione è sufficiente, la valvola di scarico si apre e permette al gas di uscire dal cilindro

3. Il pistone è al punto morto superiore (PMS) e inizia la discesa creando una depressione all’interno del cilindro.

4. Quando la depressione è sufficiente, la valvola di aspirazione permette al gas di entrare nel cilindro. Vn = Volume nocivo

Ve = Volume efficace V = Cilindrata



Caratteristiche e criticità • Essendo il moto del pistone alternativo, il flusso di refrigerante è discontinuo. • Non è possibile realizzare elevati rapporti di compressione con un solo pistone

Il rendimento volumetrico (cioè il rapporto tra il volume di gas aspirato e il volume complessivo del cilindro), che rappresenta l’efficienza di compressione del ciclo, dipende dal rapporto delle pressioni di ingresso e uscita e diminuisce al crescere di questo in maniera rilevante ed assai penalizzante. Inoltre, esso dipende anche dal volume nocivo, ovvero il volume compreso tra pistone nel punto morto superiore e cilindro che serve a evitare che il pistone danneggi le valvole. Maggiore è il volume nocivo e minore è il rendimento volumetrico. Il rendimento volumetrico non influisce sul lavoro teorico di compressione che resta sempre lo stesso, ma sul numero di corse che deve fare il pistone per comprimere un certo volume di gas in aspirazione. Se queste aumentano, si accresce anche la quota di perdita, ad es, per attrito. Inoltre un basso rendimento volumetrico impone a parità di prestazione macchine di dimensione più grande.



Soluzioni costruttive

Per rapporti delle pressioni più importanti si adottano più stadi di compressione o più compressori in serie (anche con interrefrigerazione)




Il flusso può essere

meno discontinuo

utilizzando più

cilindri




Disporre di più cilindri permette di effettuare delle parzializzazioni intervenendo sui cilindri operativi mediante la cortocircuitazione delle valvole di aspirazione e mandata.




I compressori possono essere

• aperti, cioè il compressore è racchiuso in una carcassa con albero di trasmissione sporgente attraverso un foro chiuso con anello di tenuta.Sono così realizzati i compressori di grossa taglia, eventualmente azionati da motori a c.i., ovvero i compressori che operano con R-717 che non può andare a contatto con gli avvolgimenti in rame dei motori elettrici.

• semiermetici o ermetici accessibili. Il motore elettrico opera in uno spazio comune con il compressore. La carcassa è imbullonata e completamente ispezionabile per revisioni o riparazioni: il motore elettrico è raffreddato dal gas.

• ermetici o ermetici sigillati. Compressore e motore elettrico sono assemblati in un involucro unico a campana sigillata. La revisione richiederebbe il taglio della campana, per cui il blocco in caso di guasto va completamente sostituito.



Il compressore ermetico Il compressore ermetico racchiude in un involucro sigillato un compressore alternativo e il suo motore, resi autonomi da una lubrificazione permanente e protetti da una circolazione di gas refrigerante che assicura temperature di funzionamento ottimali. Sezione dimostrativa di un compressore ermetico bicilindrico: 1. statore del motore elettrico; 2. rotore del motore elettrico; 3. avvolgimento; 4. sensore del protettore termico: 5. albero motore; 6. Bronzina principale: 7. pistone; 8. camera eli aspirazione: 9. silenziatore eli aspirazione: 10. condotto di aspirazione; 11. collettore di aspirazione; 12. Valvola di aspirazione e valvola di scarico (sovrapposte e coassiali) 13. silenziatore di scarico; 14. tubazione di scarico; 15. Aspirazione del lubrificante; 16. sospensione elastica della macchina entro l'involucro ermetico.


Il compressore ermetico La diffusione mondiale dei frigoriferi domestici e dei condizionatori da finestra si devono alla realizzazione del compressore ermetico. Per ottenere questi risultati si è costruita una macchina che potesse esser sigillata in un involucro e affidata a sé stessa, con una carica di fluido refrigerante che è quella di partenza e con una provvista di lubrificante destinata a durare. Eliminato il premistoppa, non vi è rischio di fughe del fluido né del suo deterioramento per infiltrazione di umidità. Posto il lubrificante in un contenitore stagno, se ne stabilizzano le qualità: non può ossidarsi, né inquinarsi, né disperdersi per perdite o volatilizzazione. Il motore elettrico, posto anch'esso al riparo dalla polvere, gode di un secondo privilegio: essendo attraversato dal gas refrigerante durante la fase di aspirazione, è continuamente tenuto in condizioni ottimali di temperatura, che consentono persino di risparmiare sul dimensionamento degli avvolgimenti. La circuitazione full-flow del gas, cioè a flusso totale attraverso il rotore e lo statore del motore elettrico, ha un altro risvolto: eventuali residui di refrigerante allo stato liquido al contatto con le parti calde del motore evaporano completamente evitando così il rischio di essere aspirati in fase liquida dal compressore.


Altri sistemi di compressione Il compressore alternativo, diffusissimo nel settore delle potenze piccole e medie, non è sempre vantaggioso per i grandi impianti, nei quali talvolta si fa ricorso a macchine basate su principi di funzionamento diversi. Tra i sistemi che descriviamo, il primo trova applicazione anche nei compressori ermetici prodotti da un costruttore norclamericano.

Compressore rotativo a palette (scroll): è basato sul disassamento di un rotore cilindrico fatto ruotare all'interno di una cavità cilindrica di diametro maggiore. Nel rotore sono inseriti segmenti rettilinei di tenuta (o palette) i quali si muovono entro scanalature radiali sotto la spinta di molle, e sono quindi in grado di seguire il profilo della camera. Lo spazio compreso tra due pareti convergenti e il loro punto di tangenza si riduce a ogni giro comprimendo il gas sino a farlo uscire dalla valvola di scarico.

Compressore ad anello rotante: è una variante del compressore rotativo, in cui l'elemento premente è un anello che gira eccentricamente entro una camera di diametro uguale a quello della sua orbita. La tenuta è assicurata da una sola lama, inserita in una scanalatura del corpo della macchina.

Compressore centrifugo: è costituito da una girante di turbina, che aspira il gas in prossimità del proprio asse e lo lancia per effetto centrifugo lungo una pista a chiocciola. L'efficienza del compressore centrifugo è legata ad alte velocità di rotazione, che rendono necessaria una trasmissione a ingranaggi per moltiplicare i giri forniti dal motore. Per contro, la macchina è priva di valvole. Compressore a vite: è costituito da due elementi controrotanti, il cui profilo coniugato agisce in modo da esercitare una riduzione di volume della quantità di gas che viene aspirata a ogni giro. Gli elementi rotanti provvedono anche all'effetto di otturazione alternativa sul lato dell'aspirazione, per evitare che il gas possa indietreggiare e sottrarsi all'effetto di compressione.

Compressori a vite


Un volume di gas viene imprigionato tra le viti trasportato fino alla mandata, comprimendolo


Compressori a vite


Esistono varie tipologie costruttive. La più semplice da considerare è la doppia vite (maschio e femmina) realizzate in maniera tale

da ingranare l’una nell’altra con spazi definiti nel percorso da ingresso ad uscita.


Compressori a vite

Ciclo

Il vapore di refrigerante

resta intrappolato

nella tasca che si forma fra le due viti a partire dalla zona

di aspirazione e

viene spinto verso la

zona assialmente

opposta con volumi via via più ridotti.


Compressori a vite

Varianti costruttive Compressore a vite singola: Un rotore trasmette il moto

alla vite, che ruota trasportando e comprimendo il gas dall’aspirazione alla mandata


Compressori a vite

Caratteristiche

• La portata di refrigerante è molto più costante e più

silenzioso rispetto al compressore a pistoni.

• La posizione di un cassetto di distribuzione che si può

muovere assialmente consente di variare facilmente il rapporto di compressione


Compressori rotativi

A rotore eccentrico

Un’alternativa per piccole taglie è il compressore a palette o ad eccentrico. Importante in questo compressore è la valvola automatica di mandata. La gittata di refrigerante non è quindi regolare anche se il funzionamento è più dolce che nell’alternativo


Compressori rotativi

A palette

Una maggiore

regolarità rispetto a

quello ad eccentrico

si raggiunge con il compressore a

palette


Compressori scroll


Un volume di gas viene imprigionato tra due spirali, trasportato dall’aspirazione (periferica) fino alla mandata (centrale) comprimendolo.


Compressori scroll

Costruzione

I componenti principali dello scroll sono la spirale fissa e quella orbitante. Mentre la tenuta è garantita nel senso del diametro dalla levigata superficie delle spirali, è necessario nel senso dell’altezza prevedere delle tenute adeguate.


Compressori scroll

Costruzione

Il movimento della spirale non è rotatorio, bensì orbitante, dimodoché la spirale mobile rotola esattamente sull’altra, senza che avvengano rotazioni.

Esiste anche un dispositivo apposito per evitare che l’albero della spirale venga messo in rotazione dal movimento di strisciamento.


Compressori scroll

Ciclo

1. All’aspirazione si crea un’apertura nei confronti della zona periferica ed entra vapore nel volume compreso fra le due spirali.

2. Mentre la compressione del vapore intrappolato si completa, nella zona di aspirazione si ricreano le condizioni della fase 1 in cui refrigerante viene ammesso nello spazio fra le spirali.


Compressori scroll

Ciclo

3. Nella zona interna fra le due

spirali il volume si è ormai ridotto per fornire la

pressione appropriata di mandata ed il vapore può

dirigersi all’uscita nella zona

centrale.

4. Si è arrivati infine alla

mandata, mentre altre fasi di compressione si susseguono

fra le due spirali.


Compressori scroll

Caratteristiche

La gittata di gas compresso è in tal modo assai più regolare che in un compressore alternativo a pistoni e risulta quasi continua. Anche lo sforzo di compressione è molto regolare nella rotazione dell’albero che trasmette potenza.


Compressori scroll

Caratteristiche

Esteriormente il compressore non si differenzia in modo sostanziale da un qualsiasi altro ermetico. Gli avvolgimenti del motore sono in contatto con il refrigerante in aspirazione che provvede al loro raffreddamento.


Compressori scroll

Confronto con compressore alternativo

Benché il compressore scroll richieda una realizzazione tecnica piuttosto impegnativa, sono considerati importanti i vantaggi sia in termini di regolarità di funzionamento che di spunto richiesto alla partenza che di rendimento volumetrico, sistematicamente superiore a quello di un compressore alternativo.


Compressori scroll

Confronto con compressore alternativo: COP

Il vantaggio sul rendimento volumetrico, oltre che sul funzionamento delle valvole può dare dei benefici complessivi sul COP con andamenti quali quello indicato dalla figura (peraltro dovuta ad un produttore di scroll):


Compressori scroll

Confronto con compressore alternativo: RUMORE

Il compressore scroll, avendo un funzionamento più dolce, tende anche ad essere più silenzioso del compressore alternativo. Questo può risultare particolarmente importante per la tendenza all’aumento nella rumorosità passando dalla lubrificazione con olio minerale agli oli poliesteri.


Compressori scroll

Confronto con compressore alternativo: RESA FRIGORIFERA

Lo scroll presenta una minore sensibilità alle condizioni di temperatura di condensazione ,anche se in misura più ridotta, per il funzionamento in pompa di calore al variare della temperatura della sorgente fredda:


Compressori scroll

Lo scroll presenta inoltre una minore sensibilità alle condizioni di temperatura di condensazione per quanto riguarda la capacità frigorifera resa:

Confronto con compressore alternativo: RESA IN POMPA DI CALORE


Compressori centrifughi


La pressione del gas è generata dalla forza centrifuga conferita dalla girante al flusso elaborato

Il flusso uscente dalle palette del compressore è convogliato alla mandata attraverso la voluta


Compressori centrifughi

Caratteristiche

Difficilmente un singolo stadio fornisce il livello di compressione necessaria in un ciclo frigorifero e bisogna passare almeno a due o più stadi successivi.

In genere i compressori centrifughi sono utilizzati per elevate potenze frigorifere (>1MW)


I condensatori

P

h


I condensatori

Il condensatore è uno scambiatore di calore predisposto per raffreddare il gas compresso sino alla sua temperatura di condensazione. Il raffreddamento avviene mediante cessione di calore all'aria circostante (o all'acqua).

Un tipo particolare di condensatore è il cosiddetto senza-tubo, in cui il percorso tubolare è ricavato innestando l'uno nell'altro i collari di cui sono dotale le alette, riportando le curvette terminali e saldando il tutto per mezzo di un procedimento eli brasatura. L'efficienza degli scambiatori è aumentata grandemente dalla turbolenza dei fluidi, perché questa impedisce il fenomeno della laminazione cioè la stratificazione del fluido a diverse temperature e un rallentamento dello scambio. La turbolenza si provoca sia all'interno del circuito (ad esempio mediante le connessioni tra i collarini del tipo senza-tubo) che all'esterno, mediante appositi turbolenziatori, ricavati di stampo sulle alette.

Il condensatore è uno scambiatore di calore, cioè un'apparecchiatura predisposta per facilitare lo scambio termico tra due fluidi. Lo scambio, che avverrebbe comunque naturalmente, viene accelerato appunto dalla configurazione dell'apparecchio. Gli scambiatori di calore si realizzano per provocare la contiguità di grandi superfici di due fluidi, uno dei quali percorre un circuito mentre il secondo lo avvolge. Lo scambio avviene con la mediazione del metallo che costituisce il circuito e le alette, alle quali si ricorre frequentemente per aumentare, la superficie di scambio.

I condensatori

Condensatore ad aria: è costituito da un percorso tubolare lambito dall'aria ambiente. Solo nel caso dei frigoriferi domestici la circolazione dell'aria è naturale. Nelle altre applicazioni si fa ricorso a pacchi alettati molto fitti, investiti da una corrente d'aria mossa da uno o più ventilatori, spesso muniti di coni convogliatori.

Condensatore a fascio tubiero: è basato sul principio dello scambio tra gas refrigerante e acqua corrente, anziché aria. È vantaggioso, perché l'acqua di pozzo ha normalmente una temperatura inferiore a quella dell'aria ambiente, e per la sua silenziosità, dovuta all'assenza di ventilatori. Naturalmente può trovare applicazione solo ave vi sia ampia disponibilità di acqua (eventualmente fatta ricircolare in apposi te torri dì raffreddamento).

Condensatore a tubi concentrici (o controcorrente): è un tipo semplificato di condensatore ad acqua, realizza lo facendo percorrere al primo fluido il tubo interno e al secondo fluido lo spazio lasciato libero nel tubo maggiore dal tubo minore. I due fluidi corrono in senso inverso, da qui la denominazione convenzionale di controcorrente.

I condensatori

Seguiamo il percorso del fluido refrigerante: che cosa avviene nel condensatore? Nel passaggio attraverso il condensatore, il gas (che ha elevati valori di pressione e temperatura) si raffredda e si liquefa, trasferendo calore sensibile e calore latente di condensazione al fluido circostante (aria o acqua) che è a temperatura inferiore.

Nel condensatore avvengono tre diverse trasformazioni.

Nella prima, il refrigerante che esce dal compressore sotto forma di vapore surriscaldato, si desurriscalda nella linea di scarico e nella prima parte del condensatore sino a raggiungere la temperatura di

condensazione trasformandosi così in vapore saturo. In questa prima trasformazione si ha quindi una cessione di solo calore sensibile.

Nella seconda trasformazione, la cessione del calore di condensazione provoca il cambiamento di stato del refrigerante: da vapore saturo a liquido. Fino a che tutto il vapore non si è liquefatto, la temperatura rimane costante. In questa seconda trasformazione si ha quindi una cessione di solo calore latente, che è la più importante in termini quantitativi. A condensazione avvenuta, si ha la condizione di liquido alla temperatura di condensazione.

I condensatori

Nella terza trasformazione, che avviene nell'ultima parte del condensatore e continua nella linea che lo unisce alla valvola di espansione, si ha un sottoraffreddamento del refrigerante liquido, cioè un abbassamento di temperatura rispetto alla temperatura di condensazione. In questa terza trasformazione si ha eli nuovo una cessione di calore sensibile.

Tutte e tre le trasformazioni avvengono a pressione costante, cioè alla pressione corrispondente alla temperatura di condensazione del refrigerante.

Il condensatore deve essere "dimensionato in modo tale da poter smaltire il calore assorbito dall'evaporatore e dalla tubazione di aspirazione, oltre a quello prodotto dal compressore.

Il condensatore a fascio tuberio è costituito da un contenitore cilindrico percorso da un gruppo (fascio) di tubi paralleli innestati su piastre laterali. Le testate che danno accesso alle piastre tubiere sono ispezionabili per evitare che i sedimenti lasciati dall'acqua possano porre in breve tempo fuori servizio

lo scambiatore. Questo tipo di condensatore è impiegato facendo percorrere i tubi dall'acqua corrente e facendo condensare il gas nell'interspazio tra i tubi stessi e l'involucro

esterno. Poiché il volume dell'interspazio è maggiore del necessario a contenere il vapore surriscaldato, questo tipo di condensatore svolge anche le funzioni di accumulatore di liquido (cioè di gas liquefatto).

I condensatori

Funzione

Il condensatore è il componente dell'impianto che adempie al compito di smaltire il calore prelevato dall'elemento o

dall'ambiente che si vuole refrigerare.

Il condensatore è la "porta" attraverso la quale il calore non

desiderato fuoriesce dall'impianto di refrigerazione.

Il calore prelevato dall'impianto viene trasferito ad uno dei due

fondamentali elementi naturali: l'aria o l'acqua.

Questi due elementi sono stati scelti perché di solito sono

disponibili in quantità sufficiente, sono economici, facili da

trattare e non pericolosi.


I condensatori

La condensazione

All’ingresso del condensatore, il gas arriva con un certo grado di surriscaldamento.

Il gas si raffredda fino alla sua temperatura di saturazione (1).

Durante la condensazione si ha miscela di vapore e liquido, la temperatura non varia.

Dalla condizione di liquido saturo (2), inizia la fase di sottoraffreddamento, con diminuzione ulteriore di

80°C 40°C

35°C

2

10,166 bar

10,166 bar

10,166 bar

1

temperatura 248,89 256,41 419,43 462,17 Entalpia kJ/kg


I condensatori

Tipologie costruttive

• Condensatori raffreddati ad acqua (con o senza torre

evaporativa)

• Condensatori raffreddati ad aria

• Condensatori evaporativi


I condensatori

Condensatori raffreddati ad acqua

Per le taglie maggiori di impianto i condensatori raffreddati ad acqua sono del tipo a fascio tubiero.

L’acqua viene fatta circolare all’interno dei tubi, i quali sono a contatto esternamente con il gas da raffreddare.

Questo tipo di costruzione risulta avere un’elevata efficienza di scambio termico.


I condensatori

Condensatori raffreddati ad acqua

Per taglie piccole e medie si è avuto un largo sviluppo degli scambiatori di calore a piastre saldobrasate con forti vantaggi nella compattezza, nell’efficienza dello scambio termico e nella carica di refrigerante.


I condensatori

Torri evaporative

Per ottenere una sensibile riduzione del consumo d'acqua, si può utilizzare una torre evaporativa, che consente di effettuare il raffreddamento dell’acqua con un ciclo (quasi) chiuso.

L'acqua calda che esce dal condensatore viene spinta da una pompa sulla sommità della torre e spruzzata, quasi sempre, su una "massa evaporante".

Una parte evapora entrando in contatto con l'aria che circola all'interno della torre.

Il calore latente necessario per farla evaporare è prelevato dall'acqua stessa spruzzata e non evaporata.

Questo prelievo provoca una perdita di calore sensibile nella restante acqua e una conseguente riduzione della sua temperatura. L'acqua così raffreddata è poi restituita al condensatore e il ciclo si ripete.

Per reintegrare la piccola perdita di acqua avuta per evaporazione, viene fornita alla torre acqua di reintegro attraverso una valvola a galleggiante.


I condensatori

Condensatori raffreddati ad aria (convezione naturale)

Nei condensatori raffreddati ad aria a convezione naturale, l'aria circola attraverso il condensatore per differenza di densità poiché l’aria calda essendo meno densa di quella fredda, sale verso l’alto.

Viene utilizzato nei frigoriferi di casa o in piccole vetrine da bar o in altre apparecchiature di modeste dimensioni. Ha un uso molto limitato in quanto l'aria si sposta molto lentamente, non è in grado di rimuovere rapidamente il calore del condensatore e richiede superfici relativamente ampie.

Vantaggi per le piccole installazioni: - Economico - facile da costruire - richiede una manutenzione minima.


I condensatori

Condensatori raffreddati ad aria (convezione forzata)

A differenza del condensatore a convezione naturale, il tipo con ventilazione forzata è più pratico specialmente per carichi di raffreddamento elevati.

Possono essere impiegati ventilatori elicoidali o centrifughi; la loro scelta dipende da fattori legati al tipo d'impianto come: livello di rumorosità consentito, esigenze di spazio, perdite di carico nelle eventuali condotte dell'aria ecc.


I condensatori

Condensatori evaporativi Nel condensatore evaporativo, il calore viene smaltito

dalla serpentina dove circola il refrigerante mediante l'evaporazione dell'acqua.

Per il suo funzionamento, l'acqua viene pompata da una vasca alla base dell'apparecchiatura e, attraverso una serie di ugelli nebulizzatori, piove e scorre sulla serpentina nella quale circola il refrigerante, asportando calore

Contemporaneamente, un certo quantitativo d'aria entra attraverso l'apertura praticata alla base, sale attraversando la serpentina, il getto d'acqua e i separatori di gocce e viene infine scaricata all'esterno dai ventilatori.

L'acqua persa per evaporazione, viene compensata mediante una condotta di reintegro, che immette acqua nella vasca a mezzo di una valvola a galleggiante.


Gli organi di laminazione

P

h



Il tubo capillare ovvero la valvola d'espansione creano una strozzatura nel circuito per opporre una resistenza calcolata al passaggio del fluido.

Sezione dimostrativa di una valvola termostatica: 1. bulbo del senso re termostatico; 2. tubetto del sensore termostatico; 3. Soffietto di comando del sensore termostatico; 4. connessione con la linea del liquido e filtro a reticella; 5. ugello della valvola,' 6. vite di regolazione della valvola,' 7. bocchettone cieco della regolazione; 8. connessione alla serpentina dell'evaporatore. A scopo didattico abbiamo rappresentato in viola il fluido allo stato liquido, in celeste quello in fase di evaporazione: nella realtà il fluido refrigerante è incolore.

Il capillare Nei sistemi frigoriferi di piccola potenza e di grande serie, l'effetto di determinare un aumento di pressione e temperatura del fluido refrigerante nel condensatore si ottiene inserendo tra il condensatore e l'evaporatore un tratto di tubo di piccolo diametro (tubo capillare) la cui lunghezza e il cui

diametro interno sono proporzionati in funzione della potenza e delle condizioni di funzionamento del sistema. Per i primi due terzi circa della lunghezza del tubo capillare, il liquido non cambia di stato ed è solo nell'ultimo tratto che esso comincia a evaporare, nella misura del 10-20%: allora l'aumento di volume del fluido provoca la massima perdita di carico (cioè, la massima resistenza all'avanzamento) favorendo la totale evaporazione del refrigerante.


Seguiamo il percorso del fluido refrigerante: a che cosa serve la strozzatura del circuito? La valvola di espansione, che è in sostanza una strozzatura del circuito, ha la funzione di opporre una resistenza calcolata e variabile al deflusso del fluido refrigerante dal condensatore all'evaporatore, determinando all'interno del condensatore stesso un aumento della pressione. La caduta di pressione che si manifesta all'uscita della valvola di espansione e cioè sul lato collegato all'evaporatore, favorisce l'evaporazione del refrigerante e il conseguente abbassamento della sua temperatura. All'interno del condensatore contemporaneamente all'aumento di pressione del fluido si ha anche un aumento della sua temperatura, fino a superare la temperatura ambiente, creando così le condizioni per la trasmissione del calore all'atmosfera (o all'acqua) che lambisce la superficie esterna dello scambiatore.

La valvola di espansione assolve anche la funzione di alimentare l'evaporatore di refrigerante in quantità tale che possa essere completamente evaporato. Aumentando progressivamente la sua apertura, in modo che tutta la superficie interna dell'evaporatore, anche quella più prossima all'uscita, sia alimentata adeguatamente.

Le valvole di espansione sono costruite secondo diversi principi di funzionamento. Molti impianti, specialmente quelli per applicazioni commerciali, impiegano valvole di tipo termostatico, sensibili cioè al variare della temperatura.


La variazione della temperatura della tubazione di uscita dell'evaporatore, rilevata dall'elemento sensibile e trasmessa alla valvola da un tubicino, fa si che la valvola reagisca aumentando o diminuendo la propria portata.

La valvola di espansione introduce dunque una gradualità nell'erogazione di liquido all'evaporatore.

Essa poi, regolando il flusso del fluido refrigerante in relazione all'effettivo carico termico, evita che una parte di refrigerante liquido non evaporato possa sfuggire dall'evaporatore sovralimentato e raggiunga il compressore durante il suo funzionamento, ciò che lo sottoporrebbe a sollecitazioni pericolose.

Il ricevitore di liquido I sistemi frigoriferi muniti di valvola di espansione sono spesso dotati di un recipiente di acciaio denominato ricevitore di liquido, installato a valle del condensatore. Di forma cilindrica e costruito per poter sopportare notevoli pressioni, il ricevitore di liquido è munito di un tubo di entrata dal quale riceve il fluido refrigerante allo stato liquido che proviene dal condensatore. Un tubo verticale (pescante) preleva il liquido in prossimità del fondo e lo inoltra verso la valvola di espansione attraverso un rubinetto e un tratto di tubazione spesso recante un filtro deidratare e un indicatore di passaggio del liquido. Le funzioni del ricevitore di liquido sono molteplici: serve per separare eventuali residui di refrigerante allo stato gassoso ed evitarne l'inoltro nella linea del liquido; durante la marcia a regime ridotto accoglie l'eventuale eccesso di fluido allo stato liquido rimasto a monte della valvola; durante le soste per manutenzione dell'impianto ospita tutto il liquido.

I sistemi frigoriferi a capillare non sono muniti di ricevitore di liquido, le cui funzioni sono svolte in parte dal filtro deidratare, il quale ha una sua capacità d'accumulo del liquido che si può manifestare durante la marcia. La funzione di raccoglitore di liquido durante le soste viene invece svolta dall'evaporatore. Un esempio di un filtro deidratore. I componenti di un filtro tipo sono: 1. anima ceramica; 2. nervature dell'anima; 3. involucro metallico; 4. setacci molecolari; 5. molla di ritenuta; 6. attacchi filettati. I filtri smontabili sono inoltre dotati di flangia.

Organi di laminazione

Funzione

Nell'impianto frigorifero il refrigerante a pressione e temperatura di P condensazione viene laminato in modo che il suo stato, immediatamente a valle del dispositivo di laminazione, diventa miscela liquido/vapore ad una pressione uguale a quella di evaporazione.

h



Tipologie

Il dispositivo di laminazione deve essere scelto in funzione delle richieste dell'impianto frigorifero in generale (disegno e funzionamento) e non soltanto in funzione dell'evaporatore.

Per comandare il processo di laminazione possono essere usati diversi dispositivi a funzionamento manuale ed automatico.

Dispositivi fissi: • Valvola di regolazione manuale • Tubo capillare

Dispositivi automatici • Valvola di espansione automatica • Valvola di espansione termostatica • Regolatori di livello



La valvola di regolazione manuale

E’ il più semplice dispositivo di laminazione. Essa è essenzialmente un comune rubinetto a

spillo attraverso la quale il refrigerante viene inviato all'evaporatore.

Solamente alcuni tipi di rubinetti a spillo, possono essere utilizzate per tale scopo, dato che una valvola progettata per essere usata come laminatore deve essere costruita con filettatura fine e un otturatore a spillo in modo da permettere una regolazione di precisione.

La valvola di espansione manuale è usata generalmente in grossi impianti dove il carico è piuttosto costante o in alcune camere di taratura o in laboratori.



Tubo capillare

II tubo capillare è uno dei più popolari organi di laminazione, benché sia di uso quasi esclusivo negli impianti domestici. Deve il suo successo al basso costo e alla sua affidabilità, mentre il suo punto debole, che ne preclude l'uso negli impianti di maggiore potenzialità, è dato dalla perdita di efficienza energetica, anche se non drammatica, cui da luogo. Da notare inoltre che il suo uso è indispensabile con motori elettrici dotati di piccola coppia di spunto, come lo sono generalmente quelli per servizio domestico, i quali richiedono necessariamente l'equilibramento delle pressioni tra mandata ed aspirazione durante le soste del compressore



Valvola di espansione automatica

Questo dispositivo ha il compito di mantenere una pressione costante nell'evaporatore.

La sua principale forza d'azionamento è la pressione dell'evaporatore che agisce sul fondo del diaframma mentre una molla regolabile esercita una pressione contraria sulla sommità del diaframma stesso.

Quando la pressione nell'evaporatore sale, la pressione che agisce sul fondo del diaframma vince la pressione della molla e sposta il diaframma in alto, chiudendo in tal modo la valvola.

Viceversa quando la pressione nell'evaporatore diminuisce, la pressione della molla supera la pressione dell'evaporatore e spinge la valvola ad aprirsi.

Poiché questa valvola ha lo scopo di mantenere costante la pressione prelevata a monte , essa mantiene automaticamente costante anche la temperatura dell'evaporatore.

E’ usata per carichi relativamente costanti



Valvola di espansione termostatica

Questo dispositivo ha la caratteristica di garantire un certo grado di surriscaldamento al vapore che esce dall’evaporatore.

Qualora per effetto di un incremento del carico aumenti il surriscaldamento all’evaporatore per ogni pressione aumenta la pressione sul lato superiore del soffietto: questo fa aprire la valvola consentendo l’affluenza di ulteriore refrigerante che possa soddisfare all’accresciuto carico. Viceversa se il carico dovesse diminuire.

Negli impianti più importanti si ricorre a valvole di laminazione motorizzate e comandate da microprocessori.



Regolatori di livello (solo su impianti a evaporatore allagato)

Galleggiante sul lato di bassa: una sfera galleggiante è posta nel lato a bassa pressione

dell'impianto, direttamente nell'evaporatore o in un contenitore adiacente all'evaporatore stesso.

Quando il carico sull'evaporatore aumenta, una quantità maggiore di liquido evapora ed il livello nell'evaporatore e nel contenitore del galleggiante scende. Con il livello del liquido scende anche il galleggiante aprendo così un orifizio e facendo entrare più liquido dal lato di alta pressione.

Quando il carico sull'evaporatore diminuisce, evapora una quantità minore di liquido e il galleggiante sale chiudendo l'orifizio.

Il galleggiante sul lato di bassa è considerato uno dei migliori dispositivi di laminazione disponibili per un impianto con evaporatore allagato. Esso fornisce una regolazione eccellente e la sua semplicità lo rende esente da guasti.

Può essere impiegato anche in impianti medi o piccoli e con qualsiasi refrigerante. Su grossi impianti, esso viene di solito usato come dispositivo pilota.


Gli evaporatori

P

h


Gli evaporatori

L'evaporatore ventilato e statico L'evaporatore è uno scambiatore che sottrae calore all'aria della cella per cederlo al fluido refrigerante fatto evaporare nel suo interno. Il calore assorbito dal fluido per attuare il proprio cambiamento di stato viene rimosso attraverso la linea di aspirazione che riconduce al compressore il vapore surriscaldato: qui il ciclo ricomincia, per ripetersi indefinitamente.

L'evaporatore Anche l'evaporatore, come il condensatore, è uno scambiatore di calore basato sul principio di interporre tra i due fluidi una efficiente superficie di scambio. La

sua funzione è quella di sottrarre calore all'aria circostante e questo abbassamento localizzato di temperatura ha come conseguenza non desiderata la condensazione di una parte dell'umidità contenuta nell'aria. L'umidità condensata si deposita sull'evaporatore sotto forma di rugiada che assai spesso si trasforma in brina. Da ciò conseguono esigenze costruttive più severe di quelle richieste dai condensatori. Mentre un condensatore può essere costruito in acciaio verniciato, il pericolo della corrosione richiede che gli evaporatori siano costruiti in rame e/o in alluminio (normalmente tubo di rame, forzato per mezzo dì un procedimento di espansione a freddo, denominato mandrinatura, entro i collari di alette in alluminio). Anche il passo delle alette deve essere maggiore, ad evitare che la formazione di brina ostacoli la circolazione dell'aria tra le alette stesse e riduca quindi l'efficienza.

Gli evaporatori

La sezione evaporativa di un sistema frigorifero risulta quindi, di norma, più ingombrante del condensatore corrispondente, benché il condensatore smaltisca una maggiore quantità di calore.

L'aria più calda della cella viene aspirata in prossimità del soffitto ed è portata ad attraversare il pacco alettato. Al contatto con la superficie delle alette, l'aria cede parte del suo calore e viene inviata, più fredda, a investire i prodotti

che devono essere conservati a bassa temperatura.

Il calore che l'aria cede alle alette viene da queste ceduto alla serpentina dell'evaporatore e da questa al fluido che vi è contenuto. Sappiamo che il fluido se ne appropria sotto forma di calore latente di evaporazione.

Le tre configurazioni principali prevedono: evaporatori a soffitto (con aspirazione centrale ed espulsione bilaterale,dopo il passaggio dell'aria attraverso due batterie affiancate) evaporatori a parete (con espulsione frontale dell'aria) e infine un tipo intermedio, destinato all'installazione nell'angolo tra parete e soffitto (con aspirazione obliqua dell'aria).

Anche nel caso dell'evaporatore, la turbolenza dei due fluidi è un importante fattore di efficienza dello scambio termico. Poiché l'evaporatore è normalmente realizzato in tubo liscio, la turbolenza interna viene attivata introducendo nella cavità dei tubi spirali di filo o di nastro metallico. La turbolenziazione dell'aria è ottenuta invece mediante nervature stampate sulle alette, realizzando così anche un loro irrigidimento che le rende meno deformabili.

Nel frigorifero domestico, l'evaporatore assume la forma di una piastra nervata. Il processo di evaporazione del refrigerante avviene all'interno della nervatura, che è collegata da un lato col capillare e dall'altro con la linea di aspirazione. Evaporatori ottenuti da ampie spire di tubo di rame sono usati per raffreddare vasche di liquido, bottigliere di banchi-bar ecc.

Gli evaporatori

Seguiamo il percorso del fluido refrigerante: che cosa avviene nell'evaporatore? L'evaporatore è alimentato con fluido refrigerante proveniente dalla valvola di espansione o dal capillare. Il refrigerante, che all'ingresso dell'evaporatore è una miscela di liquido e vapore

a bassa temperatura e bassa pressione, evapora all'interno dell'evaporatore sottraendo il calore necessario alla sua trasformazione da liquido in vapore (e cioè il calore latente di vaporizzazione) dal vano refrigerato che in tal modo si raffredda.

Il refrigerante lascia l'evaporatore sotto forma di vapore saturo, cioè alla stessa temperatura e pressione alla quale si è svolto il processo di evaporazione. Perché si possa realizzare

convenientemente la fase di evaporazione, l'evaporatore deve possedere questi requisiti:

una superficie di scambio sufficientemente estesa, sezioni interne tali da non creare eccessive resistenze al passaggio del refrigerante in modo da contenere al minimo le perdite di carico, una struttura sufficientemente robusta per resistere alle pressioni che il refrigerante esercita dall'interno, soprattutto quando l'impianto non è in funzione. In questo caso il fluido è soggetto alla temperatura ambiente in ogni punto del circuito e ciò ne eleva la pressione in modo assai sensibile.

Gli evaporatori

A seconda del sistema di alimentazione del refrigerante, gli evaporatori si possono distinguere

in allagati o a espansione secca.

Nei primi, un galleggiante mantiene un livello costante di refrigerante liquido all'interno dell'evaporatore;

nei secondi il fluido viene fatto evaporare completamente all'interno dei tubi dell'evaporatore.

Gli evaporatori si dividono in statici e ventilati a seconda del modo di circolazione dell'aria.

Nei primi, la convezione è naturale: l'aria più calda dell'ambiente refrigerato sale, lambisce l'evaporatore che è sempre montato in una posizione elevata si raffredda e scende verso la parte inferiore della cella investendo i prodotti conservati, sottrae loro calore e si riscalda nuovamente. Gli evaporatori statici sono impiegati nella refrigerazione domestica e commerciale e sono caratterizzati da una grande semplicità costruttiva e dall'assenza di raffinati dispositivi di sbrinamento (lo sbrinamento si ottiene attraverso l'arresto del compressore). Per compensare il basso coefficiente di scambio, conseguenza del modesto movimento d'aria, la superficie esterna degli evaporatori stati ci è relativamente estesa.

Negli evaporatori ventilati (denominati anche acroevaporatori o frigodiffusori) uno o più elettroventilatori assicurano la circolazione forzata dall'aria di cella attraverso il pacco alettato. Sono impiegati nelle installazioni commerciali e industriali ma anche in frigoriferi domestici di pregio. Generalmente sono dotati di dispositivi automatici di sbrinarnento.

Gli evaporatori

Mezzi di sbrinamento dell'evaporatore Sia perché ostacola col proprio ingombro la circolazione dell'aria, sia perché esercita una azione isolante rivestendo una parte delle alette, la brina è nemica dell'efficienza dell'evaporatore e la sua presenza in grandi quantità può giungere a impedirne il funzionamento. Per eliminarla, è necessario ricorrere periodicamente all'operazione di sbrinamento, che consiste in un apporto di calore localizzato,

ottenuto mediante resistenze inserite alla base dell'evaporatore, ovvero irrorando l'evaporatore d'acqua, o ancora facendolo attraversare da gas caldo mediante una inversione del ciclo. Ciascuno di questi metodi deve ottenere lo scopo in breve tempo, per ridurre le conseguenze della fermata dell'impianto sul regime di temperatura della cella, evitando così il rischio di deterioramento delle derrate e riducendo l'assorbimento di energia. Qui sopra, una resistenza corazzata del tipo normalmente impiegato per lo sbrinamento elettrico di evaporatori ventilati. Le resistenze vengono inserite nelle zone soggette a brina e cioè in prossimità del lato freddo della batteria e sotto il vassoio raccoglicondensa in prossimità degli scarichi, dei quali si evita così l'ostruzione causata dal ghiaccio.

Gli evaporatori

Funzione

L'evaporatore è il componente che assorbe il calore non

desiderato nell'impianto di refrigerazione in modo che

possa essere spostato o trasferito al condensatore e

quindi assorbito dal mezzo di condensazione.

L'evaporatore è la porta attraverso la quale il calore, non

desiderato presente nell'ambiente o nell'elemento da

refrigerare, entra nell'impianto di refrigerazione


Gli evaporatori

Tipologie

• evaporatori ad espansione diretta

• evaporatori allagati

• sistemi con refrigerante secondario


Gli evaporatori

Evaporatori ad espansione diretta

II tipo a secco o ad espansione diretta è un tubo continuo, che ha, ad una estremità, il dispositivo di laminazione attraverso il quale viene introdotto il refrigerante ed ha l'altra estremità collegata alla condotta di aspirazione.

In questo tipo di evaporatore, non è prevista la ricircolazione del liquido o del gas all'interno dell'evaporatore stesso e non esiste una linea netta di separazione tra il refrigerante allo stato liquido e gassoso.

Al compressore

Espansione diretta


Gli evaporatori

Evaporatori allagati

In questo tipo di evaporatore è prevista la ricircolazione del refrigerante liquido mediante l'aggiunta di una camera di separazione o compensazione.

Il liquido entra nella camera di compensazione attraverso il dispositivo di laminazione e scorre verso il tubo di fondo dove tende ad evaporare.

Man mano che il refrigerante lascia l'evaporatore, il liquido ancora presente viene separato dal gas nella camera di compensazione e rimesso in circolo.

L'evaporatore allagato, mediante il controllo del livello del liquido e la rimessa in circolo del liquido non èvaporato, assicura praticamente che tutta la superficie della serpentina sia in contatto con il refrigerante liquido in qualunque condizione di carico dell'impianto.

Camera compensazione

Allagato

Al compressore


Gli evaporatori

Sistemi a fluido secondario

Nei grossi impianti di refrigerazione o condizionamento, specialmente quando le utenze finali sono numerose, risulta più pratico installare l'evaporatore del gruppo frigorifero ad una certa distanza ed inviare ai vari apparecchi locali un refrigerante secondario costituito normalmente da una miscela di acqua e fluido incongelabile

L'evaporatore del gruppo frigorifero viene usato per raffreddare dell'acqua (refrigerante secondario) che viene poi fatta circolare attraverso le serpentine di raffreddamento delle apparecchiature sistemate nei vari ambienti.

Quando le temperature richieste dall'impianto sono al di sotto di quella di congelamento dell'acqua, vengono usate delle miscele incongelabili. I refrigeranti secondari sono generalmente raffreddati da un evaporatore del tipo a fascio tubiero o da scambiatori a piastre saldo-brasate.

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Gli evaporatori

Sistemi a fluido secondario


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Centrali frigorifere principali componenti - Teknologiempianti · preceduta dalla compressione del...

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