LA CLIMATIZZAZIONE
Sommario :
Capillare
o valvola di espansione
Rendimento
del ciclo frigorifero
Funzionamento
in pompa di calore
Pompe di calore.
Il compressore .
La
funzione del compressore è quello di aspirare gas a bassa pressione e a bassa
temperatura, ad esempio +7°C o 4 bar, per poi portarlo con un’azione meccanica
, a pistoni, palette, viti spirali ad una pressione maggiore pari a 100°C o
16bar.
Se si comprime un fluido gassoso,
questo si riscalda raggiungendo una temperatura che è dovuta dalla relazione
che si viene a creare tra pressione finale e quella iniziale, in genere in un
frigorifero il rapporto di compressione che si viene a creare è pare a 4:1 e le
temperature finali si aggirano attorno ai 100°C.
E’ di logica deduzione , allora
dire, che lo sforzo meccanico del compressore nel comprimere il gas sia tanto
più elevato quanto più è elevato il rapporto di compressione, pertanto la
potenza del motore elettrico che mette
in funzione il compressore, deve essere maggiore se maggiore risulta il
rapporto di compressione. Esiste, dunque un rapporto stretto tra assorbimento
elettrico del compressore e il rapporto di compressione su cui questo sta
agendo. Per capire come funziona un compressore basta semplicemente misurare la
corrente assorbita.
Un altro aspetto da considerare è
la temperatura del gas in ingresso la quale deve essere in grado di raffreddare
la parte che interessa i fili elettrici del motore, quindi è importante che la
temperatura del gas in aspirazione non superi i limiti indicati dal costruttore
e che i compressori vadano lubrificati .Per quanto riguarda questa ultima parte
c’è da dire che parte dell’olio che lubrifica i motori dei compressori, è già
contenuto in esso, in questo modo si evita di creare problemi con altre parti
del compressore, infine c’è da dire che l’olio che lubrifica i compressori è un
olio specifico.
L’azione meccanica del
compressore comporta che alcune parti di olio vengano trascinate fuori dal
compressore stesso e che, poi vanno a riversarsi nel circuito assieme al gas compresso, questo
a lungo andare può provocare non pochi problemi al funzionamento meccanico,
quindi per evitare questo inconveniente si seguono due strade:
o si introduce nel compressore un
dispositivo capace di raccogliere le particelle di olio e di immetterle nella
tubazione di aspirazione,
oppure non si raccoglie l’olio e
si aspetta che esso venga trascinato per
tutto il circuito, finché esso non rientri nel compressore.
Il condensatore.
Il gas ad alta pressione e ad alta
temperatura, viene inviato, attraverso delle tubazioni, in un condensatore o
scambiatore di calore. Il gas che proviene dal compressore, nel condensatore,
cede calore ad un fluido più freddo, che può essere aria esterna in una
macchina condensata ad aria, acqua o qualsiasi altro fluido.
La quantità di calore che un
condensatore o uno scambiatore di calore riesce a far fluire da un fluido
all’altro dipende da tre elementi:
Q = quantità di calore,
D T = differenza di
temperatura tra il fluido d’ingresso e quello dello scambiatore, se DT
assume valori gradi tanto più grandi risulteranno i valori di Q,
S = indica la superficie
dello scambiatore , tanto più grande è questa superficie tanto più grande sarà
la quantità di calore scambiata,
K = indica il coefficiente
di trasmissione di calore dello scambiatore , maggiore è questo coefficiente,
tanto più grande sarà la quantità di calore trasmesso.
In simboli avremo:
Q = DT* S* K*
In un circuito
reale , allora, non sarà possibile modificare nessuno dei parametri appena
indicati, è possibile variare solo la temperatura dei fluidi che raggiungono lo
scambiatore. La differenza tra la temperatura di condensazione e la temperatura
del fluido refrigerante rimarrà invariata se rimangono inalterate le quantità
di fluido tratto, ossia quello da scambiare. Poiché la temperatura di
condensazione di un fluido dipende dalla sua pressione, allora si può dire che
tanto è più grande la pressione , tanto è più grande la temperatura di
condensazione, inoltre il volume specifico
del gas è molto più grande del volume specifico della sostanza allo
stato liquido, infatti il compressore spinge all’interno del condensatore
sempre la stessa quantità di gas refrigerante, se trascorre un certo lasso di
tempo una quantità di gas si condensa diventando liquida, e libera un certo
spazio, per cui il nuovo gas introdotto dal compressore saprà dove andare e la
pressione, allora, raggiunge livelli normali. Per far entrare un volume di gas
maggiore bisogna aumentare la pressione, quest’ultima raggiungerà il suo stato
ottimale , quando la temperatura sarà aumentata a sufficienza, e verrà
scambiata, dunque, una quantità di calore pari al calore latente di
condensazione del gas che entra.
Se la
temperatura del fluido refrigerante diminuisce, si verificherà lo stesso
fenomeno , ma , in senso contrario.
La pressione
viene scelta in modo che sia possibile il trasferimento di calore nel
successivo scambiatore di calore e cioè l’evaporatore.
Capillare o
valvola di espansione
La funzione di questo apparecchio
è quella di far diminuire la pressione del liquido fino ad un valore
predeterminato .In parole povere si può paragonare ad un rubinetto in cui tanto
più viene strozzato il passaggio del liquido, tanto minore è la pressione a
valle.
Costruttivamente in commercio si
possono avere dispositivi costituiti da soltanto un foro tarato, da tubicini
capillari con fori di diametro opportunamente piccole o in casi più complessi
vere e proprie valvole con otturatore ( vedi figura ) in grado di modulare il flusso del liquido .
Tubazione di
mandata.
Si incontra,
adesso, la tubazione di trasferimento del fluido dalla unità esterna a quella
interna, con l’interposizione della valvola di sezionamento. E’ importante che
il diametro di questa tubazione non determini perdite di carico. A tale
proposito è necessario che la differenza di pressione all’uscita della macchina
e all’ingresso dell’unità interna sia minima, cioè non deve rilevarsi sui
manometri. La perdita di carico nella tubazione dipende dalla lunghezza e dalla
curve delle tubazioni, quindi bisogna fare attenzione sia alle lunghezze che
alle curve dei tubi.
Evaporatore.
L’evaporatore è
situato nell’unità interna e la sua funzione è quella di far attuare lo scambio
di calore tra refrigerante e l’aria ambiente.
La quantità di
calore scambiata è sempre Q, quindi se si considera K la temperatura ambiente e
quella del fluido, come l’aria in ingresso, per massimizzare il ΔT ossia la quantità di calore scambiata
, conviene diminuire al massimo la temperatura d’ingresso del fluido, come il
refrigerante, senza scendere sotto lo zero.
Nello
scambiatore il refrigerate liquido si trasforma in gas, avviene l’evaporazione,
prendendo il calore latente di evaporazione all’aria ambiente che uscirà
raffreddata.
Per ottenere un
dimensionamento corretto è necessario scambiare tanto calore da poter
trasformare tutto il liquido in gas, quindi all’uscita dell’evaporatore il
refrigerante diventerà gas.
Se il calore
non venisse scambiato completamente , parte del fluido refrigerante liquido non
si trasforma in gas rimane allo stato liquido arrivando così nel compressore
causandone la rottura meccanica. Per evitare ciò, viene dimensionata con
larghezza la superficie di scambio dell’evaporatore che consente di scambiare,
in condizioni normali, una quantità in più di calore per trasformare tutto il
liquido in gas. Il calore in più aumenterà sempre di più la temperatura del
refrigerante divenuto gas e la differenza tra la temperatura di trasformazione e quella reale
in uscita del refrigerante dell’evaporatore si surriscalderà. In questo caso la
quantità di calore scambiato dipende dalla quantità di refrigerante che c’è in
circolo, per cui un aumento di carica provoca un diminuzione di
surriscaldamento.
Un’osservazione
da fare è questa: una diminuzione della portata di aria da raffreddare ,
provoca una diminuzione all’istante del margine di sicurezza, quindi una
diminuzione del surriscaldamento arrivando, così al caso in cui non tutto il
liquido si trasformi in gas, quindi, nel compressore possono esserci ritorni di
liquidi. Fenomeno, che si verifica prima o contemporaneamente all’aumento di
ΔT a causa di una diminuzione della
portata del fluido raffreddato, ma il compressore sarà già rotto.
Di norma un
dimensionamento è fornito di un ventilatore , quindi con il ΔT minimo si
ottiene una differenza tra entrata ed uscita dell’aria che varia dai 12° C ai
15°-16° C con il ventilatore che gira al minimo.
Allo stato
liquido il refrigerante, che entra nell’evaporatore, porta con se un po’ di
olio disciolto, e nella procedura dello scambio il refrigeratore diventa gas
mentre l’olio no . A tal proposito si è pensato di trasportare l’olio con un
sistema molto elementare come quello del trasporto del grano e dei trucioli di
legno. In breve nella tubazione si fa passare un getto d’aria e a questa si
mescola una certa quantità di trucioli o elementi simili, nel tubo l’aria
raggiunge una certa intensità che fa galleggiare gli oggetti piccoli,
quest’ultimi così verranno infatti trasportati per tutto il percorso del
tubo.
Tubazione di
ritorno.
Dall’evaporatore si passa alla tubazione
dove il refrigerante dall’unità interna passa all’unità esterna. Anche qui le
perdite di carico devono essere minori. Ciò che differisce le tubazioni di
ritorno da quelle di mandata e che la velocità del gas all’interno della tubazione deve essere
sufficientemente elevata così può trasportare con se quelle particelle di olio
lubrificante,che ritorna poi al compressore. Si deve creare un equilibrio tra
le perdite di carico e la perdita di rendimento del sistema da esse causate.
Ciclo frigorifero.
Il funzionamento del sistema
sopra descritto si può semplificare attraverso tre elementi:
1)Evaporatore: sottrae da un
flusso esterno il calore latente di evaporazione. Il sistema in condizioni di
bassa pressione e temperatura assorbe calore si dice a Basso livello
Energetico.
2) Compressore. Aumenta sia la
pressione che la temperatura del refrigerante gassoso. Consumando energia, che
viene presa dall’esterno, il fluido refrigerante raggiunge un Livello Energetico
Alto.
3) Condensatore. Si cede ad un
flusso esterno del calore latente di condensazione. L’energia assorbita
nell’evaporatore viene espulsa dal sistema ad un Livello energetico più alto.
Rendimento del
ciclo frigorifero.
In genere si parla di rendimento
del ciclo frigorifero quando si confrontano l’effetto di una macchina, durante
il suo funzionamento con l’energia che gli serve per il funzionamento stesso.
Il rapporto tra l’energia assorbita dall’evaporatore misurata in KW e l’energia
elettrica necessaria per il
funzionamento complessivo in KW iene definito E.E.R ( Energy Efficency Ratio). Tale rapporto non è
costante e varia a seconda la temperatura o pressioni in funzionamento sia
nella macchina di condensazione che in quella di evaporazione. Il confronto
degli E.E.R può avvenire solo in condizioni identiche.
Osservazioni sul funzionamento.
Un circuito frigorifero, in
realtà,è molto simile ad un una pompa di energia, per cui la macchina può
funzionare sia per riscaldare che per raffreddare, quindi un circuito
frigorifero può essere utilizzato sia per l’effetto evaporatore, utilizzando
l’aspirazione della pompa, che per condensatore utilizzando la mandata. Tutto
ciò viene ulteriormente semplificato attraverso l’installazione di una valvola
a vie. (fig.6 p.11).
Funzionamento in
pompa di calore.
Il condensatore e l evaporatore
per svolgere il loro compito devono essere dimensionati per un corretto
funzionamento. La temperatura di funzionamento in un evaporatore, in estate
deve essere maggiore di 20° C, in inverno la temperatura deve essere al di
sotto dei 0° C. Per il rendimento, tanto più fa freddo fuori, tanto minore è la
quantità di calore che si utilizza per il riscaldamento, ma se ciò avviene, la
condensa che si forma sulle alette dell’evaporatore, si trasforma in ghiaccio.
Una superficie di scambio ricoperta di ghiaccio non ha lo stesso coefficiente
di scambio termico della stessa superficie pulita, ma è inferiore. Tutto ciò
determina una diminuzione della quantità di calore scambiato ed un aumento del
ΔT , diminuendo la temperatura di evaporazione che peggiora le cose, il
refrigerante liquido riesce a trasformarsi in gas ma si avranno dei ritorni di
liquidi al compressore con risultati di rotture.
Per evitare l’effetto ghiaccio è
necessario inserire un dispositivo il quale si può creare con la semplice
inversione del flusso refrigerante, o con l’applicazione di una valvola a 4 vie
ed inviare così , il gas caldo uscente dal compressore nello scambiatore, in
questo il modo il ghiaccio si scioglierà e si tornerà ad un normale
funzionamento.
Il rendimento della pompa si
definisce come la quantità di calore ceduta dal condensatore misurata in KW,
questo rapporto prende il nome di C.O.P. (Coefficient of Performance)