Corso L: area gestione impianti divisione tecnica – impianti tecnologici:

installazione gruppo frigo con recuperatore di calore

Ciclo frigorifero

Definizione:È un ciclo termodinamico indiretto che regola il funzionamento di macchine frigorifere usate negli impianti di refrigerazione

Sequenze del cicloIl ciclo frigorifero è composto da 4 trasformazioni termodinamiche:

1. Compressione adiabatica del fluido refrigerante con conseguente aumento di temperatura

2. Il fluido cede calore all’ambiente

3. Il fluido condensato si espande cedendo il lavoro all’ambiente esterno

4. Il fluido frigorigeno evapora assorbendo il calore dall’esterno (fase attiva del ciclo)

Grafico pressione entalpia

• In 1, per unità di massa, si ha una spesa di lavoro esterno L1 pari a h2 –h1

• In 2 il fluido condensa a temperatura e pressione costanti cedendo all’esterno calore Q2, sempre per unità di massa, pari a h3 – h2

• In 3 il fluido si espande cedendo lavoro L3all’esterno pari a h4 – h3

• In 4 il fluido evapora assorbendo calore dall’esterno Q4 pari a h1 –h4. Q4 rappresenta l’effetto frigorifero del ciclo.

Bilancio energetico

Efficienza

L’efficienza, o effetto utile della macchina, si può definire come rapporto tra l’effetto frigorifero e la spesa fatta di lavoro; l’efficienza viene anche chiamata E.E.R(Energy EfficiencyRatio) se riferita ad una macchina frigorifera, oppure C.O.P (coefficiente

di performance ) se riferita ad una pompa di calore.

1

4

LQ

Calore assorbito

Lavoro sul fluido

Efficienza

Macchina frigoriferaLa macchina frigorifera è

una macchina che realizza suddetto ciclo frigorifero al fine di raffreddare un ambiente. Le trasformazioni del fluido frigorigeno vengono effettuate tramite degli appositi componenti presenti nella macchina.

M

T2

Qa

T1

Qc

L

Schema di macchina a ciclo inverso qualsiasi

Per far si che il fluido faccia le trasformazioni richieste affinché il ciclo funzioni la macchina deve essere composta da questi componenti:

•Compressore: comprime il fluido aumentandone la pressione e quindi la temperatura (questo rappresenta la spesa di lavoro esterna sul gas)

•Condensatore: è uno scambiatore di calore che dissipa il calore del fluido. Come conseguenza si ha la condensazione del refrigerante

•Valvola di laminazione: è una valvola che fa espandere il refrigerante per portarlo a bassa pressione

•Evaporatore: è uno scambiatore di calore che, tramite la conduzione di calore tra ambiente e refrigerante ( il refrigerante assorbe calore), provoca il passaggio di stato del fluido in circolo.

Macchina frigorifera

Tipi di gas frigoriferi

Le macchine frigorifere devono essere caricate di opportuni gas frigoriferi. Questi fluidi sono caratterizzati dal prefisso R (refrigerant) e devono essere conformi ad alcuni standard e possedere determinati prerequisiti:

• Atossicità per l’uomo• Devono essere poco inquinanti

Esempi di gas frigoriferi

• R22 : attualmente bandito per via della sua dannosità per lo strato dell’ozono

• R407• R410 e derivati• R134 e derivati

I gas frigoriferi possono essere miscele come anche gas monocomponente. Generalmente sono composti di carbonio idrogeno e fluoro detti gas HCFC. Ogni gas differisce per pressioni di esercizio. Eccone alcuni esempi.

Comportamento del gas all’interno del ciclo

Quello qui illustrato è il comportamento del gas refrigerante R134a maggiormente utilizzato nelle macchine frigorifere dei LNL

Installazione nuovo impianto frigorifero con recuperatore di calore

compressore

Valvola a tre vie

Recuperatore di calore

Sistema di controllo

(PLC)

Separatore olio - fluido refrigerante

Installazione nuovo impianto frigorifero con recuperatore di calore

condensatore

evaporatore

Organo di laminazione

Utilizzo della macchina

Questo gruppo viene utilizzato per il raffreddamento di processi industriali.

In questo caso per la centrale di produzione di acqua ultra pura necessaria per il raffreddamento dell’acceleratore criogenico LINAC-ALPI. Inoltre tramite l’apposito recuperatore parte del calore che verrebbe disperso nell’ambiente viene utilizzato per la centrale di condizionamento del TANDEM e precisamente negli impianti della mensa e dell’acceleratore XTU-TANDEM

Caratteristiche tecniche gruppo frigo

Modello: Trane RTAD 165

Potenza frigorifera: 587,2 [kW]

Potenza assorbita: 228,4 [kW]

EER: 2,57

Range di funzionamento:

+7 ÷ 40 [°C]

Portata d’acqua: 105 [m3/h]

Temperatura ingresso/uscita acqua:

11 – 7 [°C]

Compressore : volumetrico a vite

Tipologie di compressore

• Compressore volumetrico:I compressori volumetrici aspirano un volume di gas indipendente dalle condizioni di aspirazione e mandata. Hanno in genere la caratteristica di avere portata direttamente proporzionale alla velocità di rotazione e rapporto di compressione indipendente da questo.

• Compressore dinamico:Nei compressori dinamici il fluido viene compresso sfruttando l'energia cinetica impressa al gas da opportuni meccanismi

Compressori volumetrici

Alternativo

A palette

Ad anello liquido

A lobi

A vite

Compressori dinamici

Centrifugo

Assiale

compressore

Spaccato di un compressore a vite

Nel compressore a vite, due viti a passo inverso e di diametro differente imboccano l'una sull'altra, in modo da creare con il corpo del compressore una cavità che progressivamente si sposta dalla zona di aspirazione a quella di mandata, diminuendo il volume, comprimendo così il gas. Rispetto ai compressori alternativi hanno il vantaggio di una meccanica più semplice - il moto è continuo - e quindi minori sollecitazioni meccaniche. Si possono ottenere rapporti di compressione minori, ma comunque elevati (3 : 1 - 4 : 1), ed è comunque possibile porre più stadi in serie. Il rendimento meccanico è superiore agli alternativi e quindi, per applicazioni medio-grandi, sono preferibili a questi ultimi.

Caratteristiche tecniche recuperatore di calore

Potenzialità di riscaldamento: 459,39 [kW]

Con temperatura acqua in ingresso di 40-50°C e temperatura aria in entrata nel condensatore di 35°C

Procedure di avviamento

Una volta allacciato agli utilizzi, per l’avviamento del GF occorre controllare che tutte le richieste del manuale d’installazione fornito dal produttore siano soddisfatte , in particolar modo i dispositivi di controllo del circuito idraulico , e del circuito elettrico

Diagramma del sistema

Verifiche e controlli dopo avviamento

Seguendo il manuale tecnico del GF con opportuna strumentazione si controllano alcuni parametri essenziali per l’ottimale prestazione della macchina frigorifera che sono:

-la pressione del gas sul compressore in mandata e in aspirazione-la tensione elettrica (Volt)-l’assorbimento elettrico (Ampere)-la temperatura di esercizio del gas

A questo scopo si utilizzano strumenti sia digitali che analogici quali:

voltmetro manometro amperometro termometro

Misure di pressione

Mandata (liquido)

Ritorno (gas)

I passaggi principali per una corretta misura di pressione del fluido frigorifero sono:

•misura della pressione in mandata tramite l’apposito ugello

•Confronto con quella di esercizio del gas

•Se necessario si aggiunge altro fluido in stato liquido

Rubinetti di un condizionatore

manometro

Per effettuare queste misure vengono impiegati appositi gruppi manometrici sia analogici che digitali, che oltre alla pressione indicano anche le temperature correlate dei gas frigorigeni

Misure di pressione

Misure di carico - assorbimento

Pinza amperometrica

Uso di una Pinza amperometrica

Per verificare invece che il compressore come anche tutta la parte elettronica svolga il suo dovere, è utile controllare l’assorbimento di corrente mediante appositi strumenti come la pinza volt-amperometrica

Misure di temperatura

Anche una misura di temperatura è utile per controllare la corretta dissipazione degli scambiatori di calore, controllare il salto termico, misurando:-La temperatura in ingresso-La temperatura in uscitadello scambiatore

Pirometro

Verificati i parametri di esercizio e constatato che i dati siano nella tabella del costruttore si procede all’ultima verifica una volta fermato il GF, la ricerca delle eventuali perdite di gas nel circuitoDopo l’avviamento si devono eseguire dei

controlli di esercizio con cadenza prestabilita definita per legge in base alla grandezza di tali macchine frigorifere

Verifiche e controlli dopo avviamento

Ricerca delle perdite

Questo controllo avviene tramite appositi strumenti detti sniffer che riescono a misurare perdite di gas nell’ordine di 2g/anno verificando i punti critici nel circuito frigorifero quali saldature, frangiature, raccordi filettati, rubinetteria, valvole e attacchi per le misurazioni

Guarnizioni varieSniffer