Modulo 3. Impianti industriali · Modulo 3. Impianti industriali Sezione 3.3 Impianto frigorifero a...

Modulo 3. Impianti industriali

Sezione 3.3 Impianto frigorifero a compressione a tre

livelli di temperatura

Prof. Ing. Cesare Saccani

Prof. Ing. Augusto Bianchini

Dott. Ing. Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna – Italy

Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale

Gruppo frigorifero a compressione

Dimensionamento elementi di impianto

Agenda

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Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura

Compressione

Condensazione

Evaporazione

Laminazione

𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒛𝒂 𝒇𝒓𝒊𝒈𝒐𝒓𝒊𝒇𝒆𝒓𝒂𝑸𝒇 = 𝑮(𝑯𝟏 − 𝑯𝟒)

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P(Tev=-40°C)=0,5 bar

P(Tc=50°C)=13 bar

x=0,55 (isoentalpica)

Rapporto di compressione: 13/0,5=26

X: Titolo di vapore = mvapore/(mvapore+mliquido) 4/89

Impianto frigorifero a tre livelli di temperaturaP

ress

ion

e (M

Pa)

Entalpia [kJ/kg]


P(Tc=50°C)=24 bar

x=0,65-0,70 (isoentalpica)

Rapporto di compressione: 24/1,4=17,1

R507A=50%R125+50%R134AUn azeotropo si forma quando tra le molecole delle due o più

sostanze che lo compongono si manifestano fenomeni di

attrazione o repulsione dovuti alla formazione di legami

intermolecolari. A causa di tali legami il comportamento della

miscela si discosta dalle condizioni ideali.

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L’indice ODP (Ozone Depletion Potential) misura le potenzialità del fluido frigorifero di

degradare l’ozono, avendo assunto come riferimento il fluido R11 (ovvero, R11 ha

ODP=1).

Una stima del valore dell’ODP di una sostanza può essere fatta sulla base della struttura

chimica e dal tempo di semivita nell’atmosfera. I composti che non possiedo atomi di

Cloro o Bromo hanno ODP uguale a zero.

CFC: clorofluorocarburi (banditi dal 1992)

HCFC: idroclorofluorocarburi (banditi dal 2014)

HFC: idrofluorocarburi (in fase di bando… perché?)

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GWP (Global Warming Potential)

Il riferimento normativo è il REGOLAMENTO (UE) N. 517/2014 del 16 aprile 2014 sui

gas fluorurati a effetto serra e che abroga il regolamento (CE) n. 842/2006, che è il

nuovo regolamento europeo sugli F-gas, ovvero quei gas ad elevato GWP responsabili

dell’effetto serra, tra i quali figurano anche gli HFC utilizzati negli impianti frigoriferi. Tale

regolamento abroga il regolamento 842/2006 introducendo alcune novità. Di seguito i

punti salienti con riferimento agli impianti di refrigerazione:

1) La frequenza imposta per i controlli delle perdite di gas dagli impianti di

refrigerazione (e pompe di calore) non è più in funzione solo della carica di gas

dell’impianto, ma anche in funzione del tipo di gas, per cui il parametro rilevante

risulta essere espresso in termini di “tonnellate equivalenti di CO2”. Si veda al

proposito l’art. 4, comma 3.

Sono stabilite infatti frequenze di controllo diverse per diversi valori del GWP (quindi

per quantità e tipo di fluido) sotto riportati e distinti nei seguenti casi:

1. Tra 5 e 50 ton CO2 equiv: 1 controllo ogni 12 mesi

2. Tra 50 e 500 ton CO2 equiv: 1 controllo ogni 6 mesi

3. Con 500 o più ton CO2 equiv: 1 controllo ogni 3 mesi

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Impianto frigorifero a tre livelli di temperaturaNel caso in cui sia installato un sistema di rilevamento delle perdite, le frequenze

dimezzano, ovvero l’intervallo di tempo raddoppia: 24 mesi nel primo caso, 12 mesi

nel secondo, sei mesi nel terzo.

Per gli impianti che ricadono nel caso n.3 (v. art. 5, comma 1) “…gli operatori […]

assicurano che l’apparecchiatura sia munita di un sistema di rilevamento delle

perdite che avverta l’operatore o un’impresa di manutenzione in caso di perdite”

e (v. art. 5, comma 3) “… gli operatori assicurano che i sistemi di rilevamento

delle perdite siano controllati almeno una volta ogni 12 mesi per accertarne il

corretto funzionamento”.

Esempio:

l’R507 ha un GWP di 3800 che significa 3,8 tonCO2 equiv/kg.

Quindi si rientra nel caso 1 per quantitativi di carica del gas refrigerante compresi tra

1,3 e 13,2 kg, nel caso 2 per quantitativi compresi tra 13,2 e 132 kg e nel caso 3 per

quantitativi uguali o superiori a 132 kg. Per tutti gli altri gas fluorurati occorre rifare il

calcolo partendo dal loro GWP. Per fornire un elemento di valutazione, si riportano i

seguenti valori:

R134a: 1,4 tonCO2 equiv/kg R407c: 1,6 tonCO2 equiv/kg

R404a: 3,9 tonCO2 equiv/kg R410a: 1,9 tonCO2 equiv/kg8/89

Impianto frigorifero a tre livelli di temperaturaLa normativa conferma la necessità di certificazione degli operatori del settore (manutentori,

riparatori, installatori) secondo i requisiti minimi stabiliti dal Reg. 2015/2066 (che sostituisce ed

estende il precedente 303/2008). Inoltre gli attuali certificati e attestati di formazione emessi a

norma del regolamento 842/2006 (abrogato), restano validi (art. 10, comma 7 e D.P.R 43/2012).

Restrizioni all’immissione in commercio.

Qui c’è la novità più rilevante, tra l’altro già da tempo preannunciata ed ora formalizzata: a

decorrere dal 1° gennaio 2020, divieto di immissione in commercio di prodotti ed

apparecchiature fisse di refrigerazione contenenti HFC con potenziale di riscaldamento

globale (GWP) pari o superiore a 2500, o il cui funzionamento dipenda dai suddetti HFC, a

eccezione delle apparecchiature concepite per raffreddare prodotti a temperature inferiori a

-50°C;

inoltre: sempre a partire dal 1 Gennaio 2020 sarà vietato l’uso di gas HFC aventi GWP maggiore di

2500 per l’assistenza e manutenzione delle apparecchiature contenenti più di 40 ton di CO2

equivalente (praticamente tutte quelle che interessano a livello industriale).

Solo in caso di assistenza e manutenzione tale divieto è prorogato al 1 Gennaio 2030 se il

gas utilizzato è rigenerato ed etichettato in conformità a quanto previsto dall’art. 12 comma

6, oppure recuperato dalla medesima apparecchiatura.

Quindi, la commercializzazione di nuovi impianti cesserà dal 2020, il rabbocco di gas e tutte

le operazioni di assistenza potranno consentire agli impianti esistenti a tale data di poter

“sopravvivere” in qualche modo per almeno altri 10 anni con le modalità che si sono di fatto

sperimentate nel passato con l’R22.

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1) Riduzione della quantità di HFC immessa in commercio.

Il regolamento 517/2014 prevede un programma di riduzione della quantità di

HFC che potrà essere immessa in commercio all’interno della UE. Considerata la

media annuale di immissione sul mercato tra gli anni 2009 e 2012, tale valore è

stato preso come valore massimo. Tale massimo è stato tollerato fino al 2015 e

da qui in poi è iniziato un programma di riduzione che prevede di arrivare ad un

limite del 63% a fine 2020 (anno in cui cesserà la commercializzazione di

impianti con HFC aventi GWP >2500) ed infine ad un limite del 21% a fine 2030.

Ci sarà quindi una forte limitazione all’uso degli HFC senza arrivare per ora ad

un bando totale in quanto queste sostanze sono ancora ritenute insostituibili in

alcune applicazioni.

Si aggiunga a ciò il fatto che in molti Paesi europei già oggi alcuni refrigeranti come

l’R134a o l’R410 sono sottoposti ad una tassazione aggiuntiva che può arrivare fino

a circa 50 €/kg. La combinazione dei due effetti, tassazione (qualora tali misure

venissero applicate anche in Italia) e difficoltà di reperimento del gas, determinerà

negli anni un innalzamento dei costi di manutenzione derivanti e, in particolare,

anche per l’R507, ovvero il fluido che è stato comunemente usato per la tipologia di

celle di conservazione di frutta e vegetali.

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Obiettivo

Comparazione fra diversi fluidi frigoriferi (vecchi e nuovi) utilizzati nei cicli

frigoriferi.

In particolare i fluidi frigoriferi analizzati sono:

R 134A (HFC, in fase di bando)

NH3 R 717

CO2 (R 744)

R 22 (HCFC, già bandito)

si vuole evidenziare quali siano le performance del ciclo frigorifero per

ciascun fluido in termini di effetto utile (e di COP nel caso di funzionamento in

pompa di calore) considerando:

Temperatura di condensazione: 50 C;

Temperatura di evaporazione:

• -10 C (cella a 0 C – Temperatura necessaria per la conservazione delle

derrate alimentare)

• -30 C (cella a -20 C – Temperatura necessaria per la conservazione del

surgelato)

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Comparazione fluidi frigoriferi

La scelta di un fluido frigorifero non è compiuta unicamente sulla base

dell’analisi delle proprietà termodinamiche del fluido ma occorre anche

considerare altre proprietà che non sono connesse direttamente al

trasferimento di calore fra cui:

Stabilità chimica;

Infiammabilità e tossicità;

Costo e disponibilità sul mercato;

Compatibilità con i materiali del compressore e con i lubrificanti utilizzati;

Compatibilità ambientale (GWP e ODP).

L’analisi delle prestazioni di un ciclo frigorifero per dato fluido viene effettuata

sui diagrammi pressione – entalpia (p – H).

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Comparazione fluidi frigoriferi

Le proprietà dei fluidi frigoriferi:

Boiling point: è la temperatura di evaporazione alla pressione atmosferica. È un

parametro molto importante perché ci consente di individuare un fluido frigorifero

piuttosto che un altro in funzione della temperatura della utenza frigorifera.

Sicurezza: valutata in termini di tossicità ed infiammabilità. I refrigeranti sono

suddivisi in 6 classi in funzione della loro pericolosità (A1, A2, A3, B1, B2, B3). Il

gruppo A1 rappresenta i fluidi meno pericolosi mentre B3 è rappresentativo dei

fluidi più pericolosi

Tc = Temperatura critica;

Pc = Pressione critica

Fluido GWP ODP Tc, [C]Pc,

[bar]

Boiling point

a 1 atm, [C]Pericolosità

R 22 (HCFC) 1810 0,055 96 50 - 40,76 A1

R 134A (HFC) 1430 0 101 41 - 26,16 A1

R 717 (Ammoniaca) 0 0 132 113 - 33 B2

R 744 (CO2) 1 0 31 74 - 78,44 A1

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Analisi prestazioni del ciclo

Si vogliono valutare le prestazioni di due cicli frigoriferi ad un solo stadio di

compressione utilizzati per il raffreddamento di celle frigorifere per la

conservazione di derrate alimentari (Temperatura nelle celle pari a 0 C) e per

il congelamento (Temperature nelle celle pari a – 20 C).

Il ciclo frigorifero individuato prevede una temperatura di condensazione pari

a 50 C ed una temperatura di evaporazione pari a -10 C nel primo caso e -30

C nel secondo caso.

Si considera una compressione di tipo isoentropica 𝜂𝑖𝑠 = 1

Si vuole valutare per i quattro fluidi l’effetto utile (𝜂𝑈) ed il COP dove:

𝜂𝑈 =𝑄𝑓

𝑃𝑒𝑙; 𝐶𝑂𝑃 =

𝑄𝑡ℎ

𝑃𝑒𝑙;

Q f

2

3

1

4

14/87

R22 (HCFC): Caso (Tev = -10 C, Tcond = 50 C).

Analisi prestazioni

Peva = 3,5 bar

Pcond = 19,4 bar

23

14

𝜼𝒊𝒔 = 𝟏

𝜼𝑼 = 𝟑, 𝟏𝟖

𝐶𝑂𝑃 = 𝟒, 𝟏𝟖

𝛽 = 𝟓, 𝟓𝟒

𝑥4 = 𝟎, 𝟑𝟕

15/87

R134a (HFC): Caso (Tev = -10 C, Tcond = 50 C).

Analisi prestazioni

Peva = 2 bar

Pcond = 13

bar

1

23

4

𝜼𝒊𝒔 = 𝟏

𝜼𝑼 = 𝟑, 𝟎𝟖

𝐶𝑂𝑃 = 𝟒, 𝟎𝟖

β = 𝟔, 𝟓

𝑥4 = 𝟎, 𝟒𝟑

16/87

R717 (Ammoniaca): Caso (Tev = -10 C, Tcond = 50 C).

Analisi prestazioni

1

23

4Peva = 2,9 bar

Pcond = 20,4

bar

𝜼𝒊𝒔 = 𝟏

𝜼𝑼 = 𝟑, 𝟒𝟎

𝐶𝑂𝑃 = 𝟒, 𝟒𝟎

β = 𝟕, 𝟎𝟑

𝑥4 = 𝟎, 𝟐𝟏

17/87

R 744 (CO2): Caso (Tev = -10 C, Tcond = 50 C).

Analisi prestazioni

1

23

4

Pcond = 100 bar

Peva = 26 bar

𝜼𝒊𝒔 = 𝟏

𝜼𝑼 = 𝟎, 𝟗𝟔

𝐶𝑂𝑃 = 𝟏, 𝟗𝟔

β = 𝟑, 𝟖𝟓

𝑥4 = 𝟎, 𝟕

18/87


Analisi prestazioni

1

23

4

Peva = 4,3 bar

Pcond = 22,9 bar

19

𝜼𝒊𝒔 = 𝟏

𝜼𝑼 = 𝟐, 𝟓𝟒

𝐶𝑂𝑃 = 𝟑, 𝟓𝟒

β = 5,3

𝑥4 = 𝟎, 𝟓𝟓


Temperatura di evaporazione -10 C e temperatura di condensazione pari a 50 C

Il fluido che presenta le migliori performance nei due casi (chiller e pompa di calore)

risulta essere R 717 che ha un effetto utile pari a 3,40 e un COP di 4,40.

Tuttavia, occorre ricordare che tale fluido presenta il più alto grado di pericolosità dei

quattro.

20/87

Fluido

Tevaporazione [C]

/ Pevaporazione,

[bar]

Tcondensazione [C] /

Pcondensazione,

[bar]

Effetto utile,

𝜼𝑼COP

D% rispetto

al COP

massimo

R 717

(Ammoniaca)-10 / 2,9 50 / 20,4 3,40 4,40 0 %

R 22 -10 / 3,5 50 / 19,4 3,18 4,18 -5,0 %

R 134 -10 / 2 50 / 13 3,08 4,08 -7,3 %

R 744 (CO2) -10 / 26 50 /100 0,96 1,96 -55,5 %

R 404a -10 / 4,3 50 / 22,9 2,54 3,54 -19,5 %

R22 (HCFC): Caso (Tev = -30 C, Tcond = 50 C).

Analisi prestazioni

Peva = 1,6 bar

Pcond = 19,4 bar 2

3

14

𝜼𝒊𝒔 = 𝟏

𝜼𝑼 = 𝟐, 𝟎𝟎

𝐶𝑂𝑃 = 𝟑, 𝟎𝟎

β = 𝟏𝟐, 𝟏𝟑

𝑥4 = 𝟎, 𝟒𝟖

21/87


Analisi prestazioni

Peva = 0,8 bar

Pcond = 13

bar

1

23

4

𝜼𝒊𝒔 = 𝟏

𝜼𝑼 = 𝟏, 𝟖𝟗

𝐶𝑂𝑃 = 𝟐, 𝟖𝟗

β = 𝟏𝟔, 𝟐𝟓

𝑥4 = 𝟎, 𝟓𝟓

22/87

R717 (Ammoniaca): Caso (Tev = -30 C, Tcond = 50 C).

Analisi prestazioni

1

23

4Peva = 1,2 bar

Pcond = 20,4

bar

𝜼𝒊𝒔 = 𝟏

𝜼𝑼 = 𝟐, 𝟏𝟒

𝐶𝑂𝑃 = 𝟑, 𝟏𝟒

β = 𝟏𝟕

𝑥4 = 𝟎, 𝟐𝟕

23/87

R 744 (CO2) Caso (Tev = -30 C, Tcond = 50 C).

Analisi prestazioni

1

23

4

Pcond = 100 bar

Peva = 14 bar

𝜼𝒊𝒔 = 𝟏

𝜼𝑼 = 𝟎, 𝟔

𝐶𝑂𝑃 = 𝟏, 𝟔

β = 𝟕, 𝟏𝟒

𝑥4 = 𝟎, 𝟖

24/87


Analisi prestazioni

1

23

4Peva = 2,0 bar

Pcond = 22,9 bar

25

𝜼𝒊𝒔 = 𝟏

𝜼𝑼 = 𝟏, 𝟒𝟖

𝐶𝑂𝑃 = 𝟐, 𝟒𝟖

β = 𝟏𝟏, 𝟓

𝑥4 = 𝟎, 𝟔𝟓


Temperatura di evaporazione -30 C e temperatura di condensazione pari a 50 C

Il fluido che presenta le migliori performance nei due casi (chiller e pompa di calore)

risulta ancora essere R 717 che ha un effetto utile pari a 2,14 e un COP di 3,14.

Tuttavia, occorre ricordare che tale fluido presenta il più alto grado di pericolosità dei

quattro.

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Fluido

Tevaporazione

[C] /

Pevaporazione,

[bar]

Tcondensazione [C] /

Pcondensazione,

[bar]

Effetto utile,

𝜼𝑼COP

D%

rispetto al

COP

massimo

R 717

(Ammoniaca)- 30 / 1,2 50 / 20,4 2,14 3,14 0

R 22 - 30 / 1,6 50 / 19,4 2,00 3,00 - 4,5 %

R 134 - 30 / 0,8 50 / 13 1,89 2,89 - 8,0 %

R 744 (CO2) - 30 / 14 50 /100 0,6 1,6 -49,0 %

R 404a - 30 / 2,0 50 / 22,9 1,48 2,48 -40,1 %


Confronto cicli a Teva = -10 C e Teva = -30 C

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Fluido 𝜼𝑼 @ Teva = - 10 C 𝜼𝑼 @ Teva = - 30 C

D% 𝜼𝑼 =𝜼𝑼,−𝟑𝟎−𝜼𝑼,−𝟏𝟎

𝜼𝑼,−𝟏𝟎

R 717

(Ammoniaca)3,40 2,14 - 37,1 %

R 22 3,18 2,00 - 37,1 %

R 134 3,08 1,89 - 38,6 %

R 744 (CO2) 0,96 0,6 - 37,5 %

R 404a 2,54 1,48 - 41,7 %

Fluido 𝑪𝑶𝑷 @ Teva = - 10 C 𝑪𝑶𝑷 @ Teva = - 30 C D% 𝑪𝑶𝑷 =𝑪𝑶𝑷−𝟑𝟎−𝑪𝑶𝑷−𝟏𝟎

𝑪𝑶𝑷−𝟏𝟎

R 717

(Ammoniaca)4,40 3,14 - 28,6 %

R 22 4,18 3,00 - 28,2 %

R 134 4,08 2,89 - 29,2 %

R 744 (CO2) 1,96 1,6 - 18,4 %

R 404a 3,54 2,48 - 29,9 %


Impianto di refrigerazione per derrate alimentari

L'impianto frigorifero è stato realizzato per la refrigerazione di celle a

diverse temperature:

- 1 cella a -30°C (abbattitore di temperatura e surgelamento);

- 1 cella a -20°C (conservazione surgelati);

- 7 celle a 0°C.

Le prime due celle sono legate ad attività di business marginali, rispetto

alle quali occorre valutare le soluzioni impiantistiche più adatte.

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P=1,3 bar (Tev=-40 C)

P(Tc=50°C)=23 bar



R 404 A= R143A + R125 + R134A


P=4,5 bar P(Tev=-10 C)

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P=2 bar P(Tev=-30 C)

X=0.65

X=0.55

Impianto frigorifero a tre livelli di temperaturaLay-out celle frigorifere Celle a temperatura minima 0°C: conservazione di vegetali (frutta, verdura, fiori)

Celle a temperatura

minima -20°C e -30°C:

abbattitori di temperatura

e conservazione surgelati

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Lay-out celle frigorifere


Ogni cella ha uno o più evaporatori.

La mandata è una sola, con

condensazione a 50°C (punto 3 nel

diagramma p-H di slide 3).

Il ritorno è vapore saturo (punto 1 nel diagramma p-H di

slide 2), differente a seconda della tipologia di cella.

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Condensazione

Ricevitore di liquido

Compressione

Laminazione - Evaporazione

P&ID

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Compressione

dagli evaporatori

di alta pressione

dall’evaporatore di

media pressione

dall’evaporatore

di bassa

pressione

al recuperatore

e condensatori

ai compressori di alta

pressione

dai

condensatori

agli

evaporatori

Al

desurriscaldatore

Alla aspirazione dei compressori di alta pressione è presente un pressostato

di minima, mentre alla mandata è presente un pressostato di massima.

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al separatore di liquido

agli evaporatori

Ricevitoredi liquido

Condensazione

dai compressori

al desurriscaldatore

34/89


da

i c

on

de

ns

ato

ri

al compressore

di bassa di

pressione


al c

om

pre

ss

ore

di

me

dia

pre

ss

ion

e

ai c

om

pre

ss

ori

di

alt

a p

res

sio

ne

35/89

Elettrovalvola Valvola di

intercettazione

Filtro

Valvola di

intercettazione

Orificio

taratoEvaporatore

Termostato

ambiente



L’elettrovalvola si apre e si chiude in funzione della temperatura rilevata dal

termostato ambiente posizionato nella cella e che comanda anche

l’azionamento dei ventilatori degli evaporatori.

Evaporatore

Termostato

ambiente

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La funzione del desurriscaldatore

Il fluido frigorifero in uscita dal compressore di bassa pressione (Cn+2) viene inviato ad un desurriscaldatore (DS). Se le valvole

manuali VI 1 e VI 3 sono aperte e la VI 2 è chiusa, allora il fluido frigorifero viene compresso sino alla pressione di evaporazione dei

compressori di alta pressione (ovvero pev corrispondente a Tev=-10°C) e viene desurriscaldato per tramite di uno scambio a miscela

con il ritorno dal ricevitore di liquido in uscita dal condensatore, opportunamente laminato. In questo modo, di fatto, la compressione

dalla pressione di evaporazione più bassa alla pressione di condensazione viene frazionata tra compressore di bassa pressione e

compressori di alta pressione. Qualora fosse in funzione il solo compressore di bassa pressione, le valvole VI 1 e 3 vanno chiuse,

mentre va aperta la valvola VI 2: in questo modo il compressore di bassa pressione lavora con la mandata direttamente collegata al

condensatore.

1

2

3

37/89

Elettrovalvola Valvola di

intercettazione

Filtro

Orificio

taratoEvaporatore

Termostato

ambiente


La funzione del desurriscaldatore

Dal

condensatore

Cella T=-30°C

COMPRESSORE

Filtro

Dal

condensatoreDESURRISCALDATORE

Nel caso della cella a bassa pressione (T ambiente = -30°C) il termostato ambiente della cella

frigorifera comanda anche l’accensione/spegnimento del compressore e l’apertura/chiusura

della elettrovalvola che mette in collegamento il ritorno del condensatore con il

desurriscaldatore.38/89

Impianto frigorifero a tre livelli di temperaturaLa funzione del desurriscaldatore - generalità

L’applicazione del desurriscaldatore nel caso in oggetto serve a limitare la

temperatura in ingresso al compressore di alta pressione, onde evitare

temperature di fine compressione troppo elevate, in grado di complicare la

gestione del processo di condensazione.

39/89

In altre tipologie di impianto (ad esempio,

impianto per la produzione di vapore) il

desurriscaldatore può essere utilizzato i) per

migliorare l’efficienza di scambio termico

(utilizzo vapore più vicino alla curva di

saturazione) oppure ii) per controllare

surriscaldamenti imprevisti prodotti da

diminuzioni di pressione in linea. In questa

tipologia di impianti si possono adottare

soluzioni più sofisticate, che prevedono

anche il controllo della temperatura in uscita

dal desurriscaldatore agendo sulla

regolazione della portata di condensa in

ingresso al sistema.

Gruppo frigorifero a compressione


Agenda

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P&ID semplificato

ELETTROVALVOLA

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Il compressore

Compressore alternativo semiermetico ”BITZER Ecoline”

Marca: Bitzer

Modello: 4JE-22Y

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Il compressore alternativo - tipologie

Compressore ermetico: contiene, all'interno di un unico involucro

metallico sigillato, le parti meccaniche, il motore elettrico ed il

lubrificante.

Compressore semiermetico: blocco motore e blocco compressore sono

direttamente accoppiati e imbullonati tra loro formando un unico

involucro, che però è accessibile al suo interno.

Compressore aperto: gruppo compressore e gruppo motore sono due

unità completamente distinte tra loro.

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Il compressore – fluido R134a – Motore 1, 2 e 3

Il compressore può essere fornito con tre diverse motorizzazioni:

- Motore 1: per temperature elevate e applicazioni con pompe di calore per temperature di

condensazione fino a 85°C.

- Motore 2: per temperature di condensazione medie, fino a 70°C.

- Motore 3: per temperature di condensazione medie e per utilizzi con frequenza fino a 70 Hz.

Come espresso da EN12900, le performance del

compressore sono state valutate considerando:

- Temperatura del gas ad inizio compressione: 20°C

- Condensazione fino a liquido saturo (e non

sottoraffreddato)

- Motore 50 Hz

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Il compressore – fluido R404A – Motore 1 e 2

3.000 €

(Fornitura)[dato aggiornato al 2017]

EER=4,860/5,240=0,93(!)

(-54%)EER=10,35/8,13=1,27

(-38%)

EER=28,85/14,13=2,04

EER= Energy Efficiency Ratio: effetto utile

Come espresso da EN12900, le performance del

compressore sono state valutate considerando:

- Temperatura del gas ad inizio compressione: 20°C

- Condensazione fino a liquido saturo (e non sottoraffreddato)

- Motore 50 Hz

45/87


P(Tc=50°C)=23 bar



R 404 A= R143A + R125 + R134A


P=4,5 bar (P(Tev=-10°C))

46/87


P&ID semplificato

ELETTROVALVOLA

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Dimensionamento elementi di impiantoL’olio di lubrificazione

Compito dell’olio presente nel compressore è quello di:

i. lubrificare le parti in movimento del compressore,

ii. ridurre il calore prodotto dall’attrito delle parti in movimento del compressore a pistoni.

L’olio non rimane confinato nel carter del compressore e una parte è trascinata nel circuito

frigorifero. L’olio espulso dal compressore circola con il fluido frigorifero e provoca i

seguenti effetti negativi:

a. riduzione del livello dell’olio nel carter, con possibili danni meccanici,

b. alterazione della qualità, delle proprietà fisiche e termodinamiche del fluido frigorigeno,

c. riduzione delle prestazioni degli scambiatori (evaporatori e condensatori), la perdita

può raggiungere anche il 30% in evaporatori con superfici di scambio alettate,

d. l’olio trattenuto nelle trappole e nelle zone a bassa velocità può ritornare bruscamente e

provocare un colpo di liquido, con danni spesso irreversibili.

Sono quindi presenti due circuiti dell’olio: il primo interno al compressore finalizzato alla

lubrificazione dello stesso, il secondo esterno al compressore e finalizzato alla separazione

dell’olio dal fluido frigorifero di processo.

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Circuito olio

Ricevitore

d’olio

Separatore

d’olio

Linea di

aspirazione

Compressore

Indicatore

olio

Filtro a

rete olio

Regolatore

d’olio

Indicatore olio: gli indicatori di liquido permettono di controllare il regolare defluire dell’olio al carter dei

compressori stessi.

Filtro a rete: all’interno i filtri sono dotati di un cestello di rete di acciaio inossidabile austenitico, AISI

304, con un’ampia superficie filtrante. I filtri a rete non sono pulibili.

Separatore olio: vedi slide successive «separatore».

Indicatore

olio

Linea di

mandata

A recuperatore

calore e

condensatori

Olio

Olio

Olio

Pd Pd Pd

Pd = Pressostato differenziale su carter

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Lubrificazione


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Circuito dell’olio (interno al compressore)

La pompa (E) preleva l’olio dal carter tramite il filtro a rete di aspirazione (G) e lo rinvia in

pressione al circuito tramite il filtro (H) di mandata (filtro a carta). Da qui l’olio scorre

all’interno dell’albero, provvisto di apposito condotto (C) per il flusso dell’olio nella zona

cuscinetti. Anche le bielle sono munite di condotto dell’olio attraverso il quale l’olio scorre

verso i cuscinetti di testa. La lubrificazione del cilindro è assicurata dall’olio che viene

spinto fuori dai cuscinetti e spruzzato lungo le pareti del cilindro stesso. Il condotto dell’olio

all’interno dell’albero del compressore termina nel corpo della tenuta rotante.

Poiché oltre a svolgere la funzione di

lubrificante l’olio serve anche da

raffreddante, specialmente per la tenuta

rotante, la quantità di olio che circola

all’interno del compressore è

notevolmente maggiore rispetto a quella

richiesta per la sola lubrificazione. L’olio

in eccesso viene ricondotto, tramite un

condotto esterno (A), all’estremità lato

pompa del carter e da qui, via un

condotto interno, ritorna al pozzetto

dell’olio. Durante questo processo, il

ricircolo dell’olio è visibile sulla spia olio

(F).

Dimensionamento elementi di impiantoPressostato differenziale Pd

La pompa di circolazione dell’olio (solitamente a ingranaggi) del compressore alternativo

fornisce una prevalenza che dipende dalle resistenze del circuito e dalla densità fluido

pompato. Se la pompa aspira olio e gas, la densità del fluido elaborato è inferiore, la

prevalenza fornita dalla pompa cala e il pressostato differenziale pd lancia un allarme.

La pressione all’interno del carter non è nota: la pressione del carter è intermedia tra la

pressione di aspirazione e quella di mandata ed il suo valore assoluto varia a seconda dello

stato delle tenute, del grado di usura,… Quella che si misura, quindi, non è la pressione

assoluta nel carter, ma la differenza tra la pressione a valle della pompa e la pressione nel

carter.

La funzione del pressostato differenziale pd è dunque quella di rilevare la mancanza di olio.

Dovendo intervenire solo in caso di emergenza, il riarmo è manuale.

In queste condizioni, all’avviamento (i.e. pompa olio ferma), risultando nulla la pressione

differenziale, il motore non potrebbe partire. E’ necessario quindi utilizzare un pressostato

differenziale collegato ad un relay ritardato.

La taratura del pressostato è operazione delicata perché occorre valutare preliminarmente

l’entità della riduzione del differenziale di pressione indotto dall’incremento di temperatura

dell’olio (meno viscoso, quindi minore resistenza al pompaggio).

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Separatore olio

• Intercetta l’olio trascinato dal gas

compresso e, restituendolo con regolarità

al carter della macchina, concorre ad

assicurare l’efficace lubrificazione degli

organi in movimento del compressore.

• Eliminando o riducendo il film d’olio sulle

superfici di scambio del condensatore e

dell’evaporatore, mantiene al valore

atteso il coefficiente di trasmissione

termica di tali apparecchi.

• Il separatore d’olio, smorzando le pulsazioni

delle valvole del compressore alternativo,

riduce la rumorosità degli impianti con

compressore aperto o semi ermetico.

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1. Galleggiante 2. Contenitore dell’olio 3. Otturatore 7. Orificio 8. Attacco ritorno olio (1/4in./6mm

cartella/brasare) 10. Raccordo 12. Raccordo ingresso refrigerante/olio 13. Raccordo uscita

refrigerante 15. Separatore olio 17. Fascia di fissaggio

N.B. Il vapore surriscaldato lambendo l’involucro del contenitore dell’olio si raffredda.


Separatore olio

Refrigerante/olio

Olio

Refrigerante

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Separatore olio – dettaglio costruttivo scarico olio

Otturatore

(azionato dal

galleggiante)

Orificio

Attacco ritorno olio

(1/4in./6mm

cartella/brasare)

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Separatore olio

150 €

(fornitura)[dato aggiornato al 2017]

La selezione del separatore dell’olio viene fatta in funzione

delle caratteristiche del compressore, scegliendo un separatore

che abbia i) dimensione in ingresso compatibile con lo scarico

del compressore e che ii) possa sopportare la portata di

refrigerante in condizioni nominali. Ciò significa, in particolare,

verificare la velocità di attraversamento della sezione filtrante e

verificare che questa non superi valori di riferimento

usualmente impiegati nel settore (0,4 m/s, altrimenti si corre il

rischio di generare turbolenze indesiderate).

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P&ID semplificato

ELETTROVALVOLA

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Ricevitore olio

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Ricevitore olio

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P&ID semplificato

ELETTROVALVOLA

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Condensatore ad aria 5.500 €


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Condensatore ad aria (Differenza tra T condensatore e T ambiente)

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P&ID semplificato

ELETTROVALVOLA

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Ricevitore orizzontale


Peso 45,5 kg Filetto di connessione/ -flangia1 3/4'' - 12 UNF

Larghezza totale 1664 mm Uscita connessione FL 28mm - 1 1/8''

Profondità totale 272 mm Filetto di connessione/ -flangia1 3/4'' - 12 UNF

Altezza totale 303mm Manometro 7/16'' 20UNF

Capacità serbatoio 54,0 l Connessione per valvola riduttrice di pressione 1 1/4''-12UNF

Max carica di refrigerante 90% a 20°C. 20°C Adattatore per valvola riduttrice di pressione Option

R22 58,8 kg Controllo di minimo livello Option

R134a 59,6 kg Controllo di massimo livello Option

R407C 56,3 kg Collaudo conforme a PED 97/23/EG Standard

R404A/R507A 51,9 kg Omologazioni speciali (su richiesta) Option

Ingresso connessione KL 28mm - 1 1/8''

600 €


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Caratteristiche fluido frigorifero condensato

T=50°C

R134a (pc=13,2 bar)

Densità: 1.102 kg/m3

Viscosità dinamica: 0,14 mPa*s (acqua @20°C a 1 mPa*s)

R507a (pc= circa 24 bar)

Densità: 917 kg/m3

Viscosità dinamica: 8,8 mPa*s

R404a (pc= circa 23,1 bar)

Densità: 891 kg/m3

Viscosità dinamica: 0,09 mPa*s

Viscosità cinematica = Viscosità dinamica/Densità [m2/s] Stokes=10-4 m2/s


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ELETTROVALVOLA


P&ID semplificato

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Filtro

Il filtro meccanico FA con inserto intercambiabile in acciaio inox si usa per refrigeranti

fluorinati, ammoniaca, acqua, salamoia, olio e gas.

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P&ID semplificato

ELETTROVALVOLA

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1- Valvola solenoide ad azionamento diretto e orificio tarato

Valvola solenoide Danfoss tipo EVR 2 ad azionamento diretto

http://choose.danfoss.com/education/training-animations/#/

50 €


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1. 2.

3.

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Le EVR 2 – EVR 3 sono ad azionamento

diretto: ovvero si aprono direttamente per

un flusso pieno quando l’armatura si

sposta in alto nel campo magnetico della

bobina. Questo significa che le valvole

possono funzionare con una pressione

differenziale minima di 0 bar.

Valvole con servocomando

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2- Valvola solenoide con servocomando e orificio tarato

Valvola solenoide Danfoss tipo EVR 25 con servocomando

http://choose.danfoss.com/education/training-animations/#/ 71/87





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L’attivazione del solenoide non è sufficiente

a realizzare la piena portata: difatti, fintanto

che la pressione al di sotto del pistone non

vince la spinta della molla pS sommata alla

contropressione p2, l’otturatore principale

rimane chiuso, come in figura.

p1

p2

p1>p2

ma p1<p2+pS

p3

pS

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La pressione differenziale presente sul pistone

sposta il diaframma lontano dall’orificio principale,

aprendolo e consentendo l’ingresso del flusso

pieno. Quindi, una certa pressione differenziale

minima p1-p2 è necessaria per aprire la valvola e

mantenerla aperta.

p1

p2

p1>p2

e p1>p2+pS

p3

pS

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Quando il solenoide viene diseccitato, si chiude il

passaggio attraverso il pilota e la pressione in p2

tende ad aumentare.

p1

p2

p1>p2

e p1>p2+pS

p3

pS

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1 & 2- Valvola solenoide e orificio tarato

Valvole solenoide Danfoss tipo EVR 2 e EVR 25

Le EVR 6-25 NC sono disponibili con

azionamento manuale dello stelo

opzionale per forzare manualmente

la valvola NC in posizione di apertura

quando la bobina non è eccitata.

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Dimensionamento elementi di impianto3- Valvola solenoide con orificio tarato intercambiabile

La valvola presenta le medesima caratteristiche viste in precedenza, con la sola

differenza che nella sezione di passaggio della valvola è posizionato l’orificio

tarato che realizza la laminazione. In funzione della scelta dell’orifizio, la valvola

realizza prestazioni differenti.

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4- Valvola solenoide elettronica con orificio tarato

Una logica di tipo on-off più sofisticata si può ottenere tramite la modulazione del

tempo d’apertura della valvola solenoide, che viene accoppiata ad una bobina

pilotata da un dispositivo di regolazione di tipo elettronico. In base ai valori di

pressione e temperatura rilevati dal dispositivo di regolazione elettronico alla

mandata dell’evaporatore, il sistema regola il tempo di apertura della valvola.

Per un’efficace regolazione la valvola deve essere dimensionata in modo

tale che, nelle condizioni di carico più impegnative, possa fornire una

quantità di refrigerante comunque sufficiente a far fronte alla richiesta.

L’utilizzo di un regolatore elettronico consente di avere un dosaggio più

preciso di refrigerante conseguendo un rendimento maggiore nel tempo (e

quindi una diminuzione sensibile dei costi di gestione delle macchine) e anche

una risposta più pronta alle variazioni di carico dell’evaporatore.

500 €


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5- Valvola termostatica con orificio tarato

L’elemento termostatico è il motore della valvola; un bulbo sensibile è collegato al gruppo

diaframma mediante un tubo capillare lungo 1,5 metri che trasmette la pressione presente

all’interno del bulbo alla camera superiore del gruppo diaframma. La pressione presente all’interno

del bulbo è direttamente correlata alla temperatura. Quando aumenta la pressione della carica

termostatica il diaframma si deforma, trasferendo questo spostamento all’otturatore che si

allontana dalla sua sede e permette al liquido di passare. Una molla di contrasto agisce sotto il

diaframma ed il suo carico può essere variato con una vite di regolazione laterale (asta di

regolazione).

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Il gruppo orificio intercambiabile assicura un’ampia gamma di potenzialità. La molla tiene

l’otturatore stabilmente a contatto con la sede per minimizzare il trafilamento attraverso la valvola;

per garantire una chiusura totale è però richiesta l’installazione di una valvola solenoide a monte

della valvola d’espansione termostatica. La valvola solenoide è comandata dallo stato on-off del

compressore.

Quindi: con la valvola di espansione termostatica in realtà non sostituisco l’elettrovalvola, ma la

modalità di regolazione (non più centralina elettronica, ma bulbo termosensibile).


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Attenzione! Nel caso di una riduzione di carico importante

nell’attraversamento dell’evaporatore, il surriscaldamento può risultare

insufficiente ad evitare l’ingresso di goccioline di liquido nel

compressore, in quanto la diminuzione di pressione rispetto alla

pressione di evaporazione può far si che la temperatura impostata ricada

all’interno della «campana» liquido-vapore del fluido refrigerante.

La soluzione di tale inconveniente si chiama valvola termostatica a

equalizzazione esterna di pressione.

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6- Valvola termostatica con orificio tarato ed equalizzazione esterna della

pressione

1. Elemento termostatico

2. Gruppo otturatore con orifizio tarato

3. Corpo valvola

4. Vite di regolazione

5. Attacco equalizzatore esterno

In questo caso non c’è legame tra uscita della valvola e camera situata al di sotto della

membrana. Un collegamento esterno permette di portare al di sotto della membrana la

pressione che regna alla mandata dell’evaporatore. In questo modo, la differenza di

pressione tra ingresso e uscita dell’evaporatore (variabile in funzione della perdita di

carico) non può più influenzare il funzionamento della valvola.

84/87



pressione120 €


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pressione

Controllo di temperatura

Controllo di pressione

Esempio di applicazione: evaporatore a iniezione

multipla con distributore di liquido

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6- Valvola termostatica con orificio taratoTR: Ton of RefrigerationIt is defined as the heat of fusion absorbed by

melting 1 short ton (i.e. 2000 pounds) of pureice at 0°C in 24 hours. 1 TR = circa 3,5 kW.

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P&ID semplificato

ELETTROVALVOLA

88/87


Evaporatore

3.000€


89/87


Evaporatore

Batteria alettata

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Aeroventilatore

(1) Impiegare valvola

termostatica con

equalizzatore di

pressione esterno

(2) Capacità nominali alle

condizioni pratiche di

utilizzo in atmosfera

umida. Refrigerante

R404A; T aria in

ingresso 0°C,

Tevap -8°C

(3) Capacità standard in

atmosfera secca,

classe di test SC2,

refrigerante R22; T aria

in ingresso 0°C,

Tevap -8°C.

(4) La “freccia d’aria” o “air

throw” è la distanza

dall’aeroventilatore alla

quale la velocità

dell’aria misurata al

centro della corrente è

al minimo di 0,5 m/s.

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Aeroventilatore

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Aeroventilatore

Diametro ventilatore:

4= 450 mm

Numero di

motoventilatori

Riferimento

scambiatore

Peso alette

Nome modello

Differenza fra T in cella

e T evaporazione

Voltaggio, fase, frequenza

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* unitario (€ netto dell’IVA)

Componente Prezzo * Componente Prezzo *

Compressore € 3.000 (20%) Desurriscaldatore 50kW € 900 (6%)

Separatore olio € 150 Ricevitore liquido € 600 (4%)

Serbatoio olio € 200 Filtro desidratore € 80

Rubinetto olio € 10 Filtro rete olio € 30

Valvola a pressionedifferenziale

€ 20 Valvola sicurezza € 20

Valvola NR € 20Valvola bypassper intercettazione

€ 50

Filtro olio € 30Pressostato per refrigerazione

€ 50

Controllo livello olio con allarme

€ 200 Pressostato differenziale € 160

Rubinetto olio € 15 Manometro olio € 15

Centralina elettrovalvola € 500 Aeroevaporatore € 3.000 (20%)

Elettrovalvola € 50 Condensatore ad aria € 5.500 (38%)

TOT: 14.600€94/87

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