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Pierfrancesco Fantoni
Parte Prima
Introduzione
Nellimpianto frigorifero di una cella per la conservazione della verdura a temperatura positiva si blocca il compressore. Il tecnico frigorista interviene per procedere alla sua sostituzione: chiude il rubinetto sullaspirazione; chiude il rubinetto della mandata in modo da mandare in vuoto il compressore e sprecare la minore quantita' di refrigerante possibile; procede alla dissaldatura delle tubazioni; provvede a scollegare le connessioni elettriche; sostituisce il compressore in avaria. Poi ripete le medesime operazioni in senso inverso compresa lesecuzione di un vuoto accurato nel tratto di impianto aperto ed il controllo della tenuta dello stesso. Riaperti i rubinetti procede al riavvio dellimpianto ed al controllo dei parametri di temperatura e pressione dopo che esso e' giunto a regime. Con grande sorpresa, nonostante la meticolosita' delle operazioni eseguite, la temperatura della cella rimane ben al di sopra del valore desiderato.
Evidentemente qualcosa e' andato storto nellesecuzione della sostituzione, ed allora il tecnico comincia a ripensare a tutte le operazioni eseguite, cercando di individuare lerrore commesso.
Caratteristiche del compressore
Prima di riflettere su cosa non e' andato come doveva nelloperazione di sostituzione del compressore e' necessario ricordare quali sono alcune delle caratteristiche principali dei compressori che e' possibile trovare nei cataloghi forniti dai produttori e qual e' il loro significato. Per quanto riguarda i dati di potenza possono venire indicati quelli relativi alla potenza elettrica assorbita (watt), quelli relativi alla potenza meccanica resa allalbero motore (cavalli vapore, horse power) e quelli inerenti alla potenza frigorifera (watt, chilocalorie/ora, BTU/ora, frigorie/ora).
I dati relativi alle potenze del compressore vengono tabellate in funzione di alcuni parametri relativi al funzionamento dellimpianto frigorifero. Normalmente le condizioni cui si fa riferimento sono quelle relative agli standards CECOMAF o ASHRAE. La tabella 1 riporta il valore di tali parametri riferiti ad un impianto frigorifero funzionante a R134a.
Tabella 1 |
||
CECOMAF |
ASHRAE |
|
Temperatura di evaporazione (C) |
-25 |
-23,3 |
Temperatura di condensazione (C) |
55 |
55 |
Temperatura liquido sottoraffreddato (C) |
55 |
32 |
Temperatura gas aspirato (C) |
32 |
32 |
Temperatura ambiente (C) |
32 |
32 |
Potenza elettrica del compressore
I dati relativi alla potenza elettrica esprimono in forma indiretta la difficolta' incontrata dal compressore nel comprimere il refrigerante. A parit di temperatura di condensazione, essa diminuisce al diminuire della temperatura di evaporazione, come mostra la tabella 2, relativa ad un compressore ermetico alternativo di piccola potenza.
Tabella 2 |
|||||||
Temperatura di evaporazione (C) |
|||||||
-10 |
-15 |
-20 |
-23,3 |
-25 |
-30 |
-35 |
|
Potenza elettrica assorbita (W) |
156 |
134 |
115 |
104 |
98 |
83 |
70 |
Corrente di marcia assorbita (A) |
1,05 |
0,90 |
0,84 |
0,78 |
0,75 |
0,69 |
0,64 |
Questo e' dovuto al fatto che diminuendo la temperatura di evaporazione, diminuisce la densita' del gas aspirato: per la compressione necessario uno sforzo minore, testimoniato anche dalla minore intensita' della corrente di marcia. Tuttavia venendo a ridursi la portata massica del compressore, il compressore e' destinato a funzionare per tempi piu' lunghi, per garantire una certa capacita' frigorifera, e quindi a consumare maggiore energia elettrica.
Viceversa la potenza elettrica assorbita, a parita' di temperatura di evaporazione, aumenta sempre allaumentare della temperatura di condensazione. La tabella 3 confronta i dati della potenza assorbita da un compressore semiermetico a due diverse temperature di condensazione.
Tabella 3 |
||
Temperatura di condensazione (C) |
||
+45 |
+55 |
|
Potenza elettrica assorbita (W) (temperatura di evaporazione 25 C) |
6800 |
7700 |
Potenza elettrica assorbita (W) (temperatura di evaporazione 45 C) |
4300 |
4700 |
Innanzitutto e' possibile notare, come gia' in precedenza evidenziato, come la potenza assorbita si riduce notevolmente allabbassarsi della temperatura di evaporazione. Condensando a +45 C la potenza elettrica diminuisce del 37% circa, passando da 6800 watt a 4300 watt, quando la temperatura di evaporazione passa da 25 C a 45 C. Per una temperatura di condensazione di +55 C la riduzione di potenza richiesta e' pari a circa il 39%, diminuendo di ben 3000 watt rispetto ai 7700 di riferimento.
A parit di temperatura di evaporazione, invece, la potenza assorbita cresce del 13% circa passando da una temperatura di condensazione di +45C a +55 C. Laumento e' del 9% circa per una temperatura di evaporazione di 45 C. Ovviamente tali dati sono riferiti ad un modello particolare di compressore, potendo variare nel valore da compressore a compressore.
Il motivo dellaumento della potenza elettrica assorbita va ricercato nel fatto che per portare il gas ad una pressione piu' alta, a parit di pressione del gas in entrata nel cilindro, il compressore deve compiere uno sforzo di intensita' senzaltro maggiore.
Potenza frigorifera del compressore
Anche la potenza o capacita' frigorifera risulta dipendere dalla temperatura di evaporazione e di condensazione a cui lavora limpianto.
Infatti la potenza frigorifera del compressore e' calcolata sulla quantita' in peso (portata massica) di refrigerante che esso e' in grado di spostare in un determinato intervallo di tempo (di solito unora). Tale refrigerante, transitando nellevaporatore, produce, tramite la sua evaporazione, un determinato effetto raffreddante, dato dalla quantita' di calore sottratta allaria che transita allesterno dellevaporatore stesso. cosi' la potenza frigorifera del compressore viene calcolata proprio in base alleffetto raffreddante prodotto dalla quantita' di refrigerante che esso sposta in un tempo unitario.
La portata massica del compressore non e' sempre la medesima durante il suo funzionamento. Lanalisi del ciclo di compressione, infatti, ci dice che, nei compressori alternativi, la quantita' di vapore aspirato ad ogni ciclo e' influenzata dal momento in cui la valvola di aspirazione apre. Maggiore e' il ritardo allapertura, minore e' la quantita' di refrigerante che puo' entrare nella camera cilindrica per essere compresso. Lapertura della valvola di aspirazione viene influenzata in duplice modo dalle pressioni di lavoro dellimpianto: da quella di aspirazione, in quanto una sua diminuzione ritarda lapertura, e da quella di condensazione che provoca anchessa, allaumentare del suo valore, un ritardo dellapertura della valvola.
Parte seconda
Introduzione
La scelta del compressore di un impianto frigorifero richiede unattenta analisi delle indicazioni che i costruttori riportano sui propri cataloghi. I dati riportati, infatti, si riferiscono a condizioni di funzionamento ben specifiche, il cui rispetto e' condizione necessaria per ottenere le prestazioni che vengono indicate. La medesima attenzione va posta anche nel confronto tra le prestazioni di compressori di modello e marca diversa. A seconda delle condizioni di riferimento, infatti, si ottengono valori sostanzialmente diversi uno dallaltro: per un confronto significativo, quindi, e' dobbligo riferirsi alle medesime condizioni di prova, come ad esempio quelle suggerite dallASHRAE o da CECOMAF.
Rapporto di compressione e rendimento volumetrico
Come gia' visto, la portata massica del compressore e' influenzata dalle pressioni di lavoro dellimpianto. Maggiore e' la differenza tra pressione di condensazione e di evaporazione, minore risulta la quantita' di vapore aspirata dal compressore ad ogni ciclo. Per sintetizzare tale fenomeno si utilizza un parametro, il rapporto di compressione, calcolato come rapporto tra la pressione assoluta di scarico del compressore e quella di aspirazione. Ogni costruttore, raccomanda per i propri modelli dei valori soglia del rapporto di compressione, sia per non penalizzare eccessivamente il rendimento volumetrico del compressore, sia per limitare le sollecitazioni meccaniche agenti sui vari componenti durante il funzionamento.
Temperatura di evaporazione
Il processo di evaporazione incide in duplice modo sulla resa frigorifera del compressore. Oltre che la pressione, anche la temperatura di evaporazione comporta conseguenze sulla potenza del compressore. Levaporazione di un liquido, infatti, porta alla formazione di un volume di vapore variabile a seconda della temperatura a cui avviene il cambiamento di stato. La tabella 1 riporta il volume che si ottiene dallevaporazione di 1 chilogrammo di liquido per vari tipi di refrigerante:
Tabella 1 |
||||
VOLUME (litri) |
Temperatura di evaporazione (C) |
|||
Tipo refrigerante |
0 |
-10 |
-20 |
-30 |
R134a |
70 |
99 |
147 |
226 |
R22 |
47 |
65 |
92 |
135 |
R404A |
36 |
50 |
74 |
105 |
R410A |
32 |
45 |
64 |
93 |
Appare evidente come, passando da una temperatura di evaporazione di 0 C a una di 30 C, il volume di gas che si produce dallevaporazione di 1 chilogrammo di refrigerante liquido aumenti di piu' di 3 volte. Ci significa che per produrre la medesima potenza frigorifera e'vnecessario utilizzare un compressore con caratteristiche diverse, a seconda della temperatura di evaporazione.
Surriscaldamento del gas aspirato
Un ulteriore fattore influisce sulla portata di vapore che il compressore riesce ad aspirare ad ogni ciclo. Esso e' il grado di surriscaldamento del refrigerante. Come ben noto, il surriscaldamento e' un artifizio "tecnico" impiegato per evitare il possibile verificarsi di arrivo di liquido allinterno del compressore. Dal punto di vista termodinamico esso non porta a significativi vantaggi, in quanto implica lo scambio di solo calore sensibile nella fase terminale dellevaporatore, e quindi una riduzione della capacita' frigorifera che potenzialmente potrebbe essere ottenuta nello scambio termico con laria. Per tale ragione la sua entita' deve essere limitata entro certi valori. Il surriscaldamento che invece avviene entro la linea di aspirazione, fino allentrata del vapore nella camera di compressione, non porta ad una riduzione della capacita' frigorifera dellimpianto. Tuttavia, anchesso contribuisce ad un aumento del lavoro richiesto al compressore. A seguito del calore acquistato nel tratto di impianto compreso tra evaporatore e compressore, infatti, il vapore vede aumentare il proprio volume e quindi ridurre la propria densita'. In sostanza, a parita' di peso (e quindi di effetto frigorifero prodotto) il gas da aspirare occupa un volume maggiore, e per questo obbliga il compressore ad un lavoro supplementare. La tabella 2 evidenzia lincremento di volume che si registra surriscaldando un chilogrammo di R134a. Si nota come, passando da surriscaldamento nullo ad un surriscaldamento di 25 K, il volume del gas aumenta di circa il 13%.
Tabella 2 |
|||||
R134a (temperatura di evaporazione 5C) |
Surriscaldamento (K) |
||||
0 |
5 |
15 |
20 |
25 |
|
Volume (litri) |
58,3 |
59,8 |
62,8 |
64,2 |
65,7 |
Sottoraffreddamento del liquido
Come gia' accennato, la potenza frigorifera del compressore viene determinata in base alla portata massica di refrigerante che egli e' in grado di spostare in un certo tempo. Tale quantita' di refrigerante aspirato, transitando attraverso levaporatore, produce un effetto frigorifero. Il compressore, aspirando tale quantita' di gas, rende possibile il raffreddamento dellaria e quindi permette allintero impianto di erogare una certa potenza frigorifera.
Tuttavia la quantita' di freddo prodotto allevaporatore, non dipende solo da quanto refrigerante transita attraverso levaporatore stesso, giacche' se esso vi giunge in forma liquida o in forma gassosa la rilevanza non e' affatto trascurabile. Infatti la parte di refrigerante che transita attraverso levaporatore in fase gassosa, non garantisce un buon effetto raffreddante, dato che e' in grado di togliere solo calore sensibile allambiente. Leffetto frigorifero preponderante e' dato dal refrigerante liquido, che per evaporare ha bisogno di calore latente. Come ben sappiamo, durante lespansione nel capillare o nella valvola despansione termostatica una parte di liquido si trasforma in vapore gia' prima di giungere allevaporatore, e contribuisce cosi' in maniera marginale al raffreddamento desiderato. La quantita' di vapore che si forma in tale fase dipende dal grado di sottoraffreddamento del liquido che entra nel dispositivo di espansione. Maggiore e' il sottoraffreddamento, minore e' la formazione di vapore e quindi migliore risultera' lazione raffreddante del refrigerante nel passaggio dellevaporatore.
La potenza frigorifera del compressore, quindi, deve essere riferita anche alle condizioni di funzionamento dellimpianto a monte del dispositivo despansione, ossia al grado di sottoraffreddamento del liquido che esce dal condensatore.
Capacita' frigorifera del compressore
Tutti i fattori fino ad ora evidenziati hanno un peso determinante nei riguardi della potenza frigorifera del compressore. E' evidente, quindi, che qualora i dati riguardanti la potenza forniti dai cataloghi non si riferissero a condizioni di funzionamento dellimpianto coincidenti con quelli propri dellimpianto oggetto di manutenzione, dovranno essere riparametrati in funzione di essi, altrimenti il compressore scelto non risulter conforme alle esigenze richieste.
Parte terza
Introduzione
Da quanto esposto fino a questo punto, appare evidente che la capacita' frigorifera di un compressore e' determinata solo nel momento in cui vengono definite le condizioni operative di funzionamento dellimpianto frigorifero in generale e del compressore in particolare. Per la scelta del compressore, quindi, e' necessario conoscere pressione di evaporazione e condensazione (comprese eventuali perdite di carico nellimpianto, in modo da definire con esattezza la pressione di aspirazione e quella di scarico), il grado di surriscaldamento allaspirazione e di sottoraffreddamento del liquido, la temperatura dellambiente in cui avviene la condensazione ad aria. Tuttavia, anche quando tutti questi parametri siano stati definiti, permane un certo grado di indeterminazione del valore della potenza frigorifera dovuto al fatto che il funzionamento dellimpianto frigorifero non avviene sempre nelle medesime condizioni operative. Anche parametri di natura elettrica possono influire sulle prestazioni del compressore.
Pressione di evaporazione e condensazione
Come e' noto, sia la pressione di evaporazione che quella di condensazione influiscono sulla potenza frigorifera del compressore. Il che equivale a dire che il medesimo compressore non e' in grado di consentire sempre, allimpianto frigorifero in cui e' installato, la stessa produzione di freddo. Questo significa che non e' possibile individuare a priori un modello di compressore adatto per una certa applicazione, se prima non si individuano le pressioni di evaporazione e di condensazione (o meglio, di aspirazione e di scarico) a cui il compressore deve erogare la potenza frigorifera richiesta.
Lincidenza della pressione di evaporazione sulla capacita' frigorifera del compressore e' rilevabile dalla tabella 1, che e' riferita ad un compressore semiermetico bicilindrico alternativo, funzionante ad R22, di potenza nominale di 3 HP.
Tabella 1 |
||||||
Temperatura di evaporazione (C) |
||||||
-15 |
-10 |
-5 |
0 |
+5 |
+10 |
|
Potenza frigorifera (W) |
3700 |
4800 |
6100 |
7600 |
9400 |
11400 |
Appare evidente come lo stesso modello di compressore abbia rese frigorifere diverse (molto diverse!) in funzione della temperatura di evaporazione. Passando da una temperatura di evaporazione di +10 C (11400 watt) ad una di 15 C (3700 watt) la potenza frigorifera diminuisce del 67% circa. Ci significa che il compressore che soddisfa alle esigenze di produzione del freddo per una temperatura di evaporazione di +10 C, diventa assolutamente insufficiente quando viene fatto lavorare a 15 C.
Il discorso e' assolutamente analogo se ci riferiamo alla temperatura di condensazione. La tabella 2 mostra le rese frigorifere per un compressore bicilindrico semiermetico alternativo da 2 HP, funzionante ad R134a, in funzione di due diverse temperature di condensazione. La temperatura di evaporazione considerata e' di 10 C
Tabella 2 |
||
Temperatura di condensazione (C) |
||
+45 C |
+55 C |
|
Potenza frigorifera (W) |
3300 |
2800 |
Anche in questo caso si ha una diminuzione della resa frigorifera, pari a circa il 15%, in funzione dellaumento della temperatura di condensazione.
Infine, con la tabella 3, e' possibile apprezzare leffetto combinato della variazione della temperatura (o della pressione) di evaporazione e condensazione. I dati sono riferiti ad un compressore bicilindrico semiermetico da 2 HP, funzionante a R507.
Tabella 3 |
|||||
Potenza frigorifera (W) |
Temperatura di evaporazione (C) |
||||
-40 |
-35 |
-30 |
-25 |
-20 |
|
Temperatura di condensazione +45 C |
1300 |
1700 |
2300 |
3000 |
3900 |
Temperatura di condensazione +55 C |
1200 |
1600 |
2100 |
2800 |
3600 |
Considerando i dati estremi, si passa da una resa frigorifera di 3900 watt, ottenibili con una temperatura di evaporazione di 20 C e una di condensazione di +45 C, ad una resa di 1200 W evaporando a 40 C e condensando a +55 C. La diminuzione che si registra e' pari al 69% circa.
Temperatura dellaria ambiente e potenza frigorifera
Durante il periodo di funzionamento dellimpianto, la temperatura dellaria di raffreddamento del condensatore puo' variare, nellarco della giornata e in dipendenza della stagione, soprattutto nel caso in cui il condensatore e' posto allaperto. Questo provoca, normalmente, una variazione della pressione di condensazione che si riflette sulla variazione della potenza frigorifera del compressore. Quando la temperatura dellaria aumenta, la pressione tende anchessa ad aumentare, provocando una diminuzione della potenza frigorifera resa. Viceversa, un abbassamento della temperatura dellaria provoca una diminuzione della pressione di condensazione e quindi porta ad un aumento della produzione di freddo.
Frequenza di rete
La velocita' di rotazione dellalbero del compressore dipende dalla velocita' con cui gira il rotore del motore elettrico. Essa risulta dipendere a sua volta dalla frequenza della tensione di alimentazione del motore, ossia dalla frequenza della rete elettrica. La tabella 4 riporta le diverse capacita' frigorifere ottenibili per due frequenze della tensione di alimentazione in un compressore monofase, ermetico, alternativo, da 1/8 di cavallo. La diminuzione che si ottiene passando da 60 Hz a 50 Hz e' di circa il 14%.
Tabella 4 |
||
Frequenza tensione di alimentazione (Hz) |
||
50 |
60 |
|
Potenza frigorifera (W) |
79 |
92 |
Conclusione
Come appare evidente dagli esempi riportati, la potenza frigorifera di un compressore dipende da molteplici fattori, alcuni legati ai parametri di funzionamento dellimpianto frigorifero, altri a ragioni di tipo elettrico. In particolare, per questultimo caso, e' opportuno assicurarsi sempre che il compressore, scelto per rimpiazzare quello guasto, sia stato fabbricato per essere destinato ad essere utilizzato sul mercato italiano. Rimane importante sottolineare come, data la variabilita' delle pressioni di lavoro, la capacita' di far freddo del compressore risulti sempre variabile, anche se entro limiti piuttosto ristretti se tale variabilita' rimane contenuta entro certi limiti. Rimane strategica la corretta scelta del compressore, invece, nel caso si debba provvedere alla sua sostituzione, in modo da non incorrere in grossolani errori che portano a pregiudicare seriamente la buona riuscita di un lavoro di assistenza.
In caso contrario il compressore puo' diventare improvvisamente ..troppo piccolo.