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CENTRO STUDI GALILEO PER ULTERIORI INFORMAZIONI

 Quando il compressore diventa… troppo piccolo
(Art. 60 - 61- 62)

 Pierfrancesco Fantoni

Parte Prima

Introduzione

Nell’impianto 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 sull’aspirazione; 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 l’esecuzione di un vuoto accurato nel tratto di impianto aperto ed il controllo della tenuta dello stesso. Riaperti i rubinetti procede al riavvio dell’impianto 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 nell’esecuzione della sostituzione, ed allora il tecnico comincia a ripensare a tutte le operazioni eseguite, cercando di individuare l’errore commesso.

Caratteristiche del compressore

Prima di riflettere su cosa non e' andato come doveva nell’operazione 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 all’albero 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 dell’impianto 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 all’aumentare 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 all’abbassarsi 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. L’aumento 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 dell’aumento 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' senz’altro maggiore.

Potenza frigorifera del compressore

Anche la potenza o capacita' frigorifera risulta dipendere dalla temperatura di evaporazione e di condensazione a cui lavora l’impianto.

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 un’ora). Tale refrigerante, transitando nell’evaporatore, produce, tramite la sua evaporazione, un determinato effetto raffreddante, dato dalla quantita' di calore sottratta all’aria che transita all’esterno dell’evaporatore stesso. cosi' la potenza frigorifera del compressore viene calcolata proprio in base all’effetto 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. L’analisi 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 all’apertura, minore e' la quantita' di refrigerante che puo' entrare nella camera cilindrica per essere compresso. L’apertura della valvola di aspirazione viene influenzata in duplice modo dalle pressioni di lavoro dell’impianto: da quella di aspirazione, in quanto una sua diminuzione ritarda l’apertura, e da quella di condensazione che provoca anch’essa, all’aumentare del suo valore, un ritardo dell’apertura della valvola.

 

Parte seconda

Introduzione

La scelta del compressore di un impianto frigorifero richiede un’attenta 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 dall’altro: per un confronto significativo, quindi, e' d’obbligo riferirsi alle medesime condizioni di prova, come ad esempio quelle suggerite dall’ASHRAE o da CECOMAF.

Rapporto di compressione e rendimento volumetrico

Come gia' visto, la portata massica del compressore e' influenzata dalle pressioni di lavoro dell’impianto. 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. L’evaporazione 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 dall’evaporazione 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 dall’evaporazione 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 all’interno 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 dell’evaporatore, e quindi una riduzione della capacita' frigorifera che potenzialmente potrebbe essere ottenuta nello scambio termico con l’aria. Per tale ragione la sua entita' deve essere limitata entro certi valori. Il surriscaldamento che invece avviene entro la linea di aspirazione, fino all’entrata del vapore nella camera di compressione, non porta ad una riduzione della capacita' frigorifera dell’impianto. Tuttavia, anch’esso 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 l’incremento 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 l’evaporatore, produce un effetto frigorifero. Il compressore, aspirando tale quantita' di gas, rende possibile il raffreddamento dell’aria e quindi permette all’intero impianto di erogare una certa potenza frigorifera.

Tuttavia la quantita' di freddo prodotto all’evaporatore, non dipende solo da quanto refrigerante transita attraverso l’evaporatore 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 l’evaporatore in fase gassosa, non garantisce un buon effetto raffreddante, dato che e' in grado di togliere solo calore sensibile all’ambiente. L’effetto frigorifero preponderante e' dato dal refrigerante liquido, che per evaporare ha bisogno di calore latente. Come ben sappiamo, durante l’espansione nel capillare o nella valvola d’espansione termostatica una parte di liquido si trasforma in vapore gia' prima di giungere all’evaporatore, 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' l’azione raffreddante del refrigerante nel passaggio dell’evaporatore.

La potenza frigorifera del compressore, quindi, deve essere riferita anche alle condizioni di funzionamento dell’impianto a monte del dispositivo d’espansione, 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 dell’impianto coincidenti con quelli propri dell’impianto 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 dell’impianto 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 nell’impianto, in modo da definire con esattezza la pressione di aspirazione e quella di scarico), il grado di surriscaldamento all’aspirazione e di sottoraffreddamento del liquido, la temperatura dell’ambiente 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 dell’impianto 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, all’impianto 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.

L’incidenza 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 dell’aumento della temperatura di condensazione.

Infine, con la tabella 3, e' possibile apprezzare l’effetto 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 dell’aria ambiente e potenza frigorifera

Durante il periodo di funzionamento dell’impianto, la temperatura dell’aria di raffreddamento del condensatore puo' variare, nell’arco della giornata e in dipendenza della stagione, soprattutto nel caso in cui il condensatore e' posto all’aperto. Questo provoca, normalmente, una variazione della pressione di condensazione che si riflette sulla variazione della potenza frigorifera del compressore. Quando la temperatura dell’aria aumenta, la pressione tende anch’essa ad aumentare, provocando una diminuzione della potenza frigorifera resa. Viceversa, un abbassamento della temperatura dell’aria provoca una diminuzione della pressione di condensazione e quindi porta ad un aumento della produzione di freddo.

Frequenza di rete

La velocita' di rotazione dell’albero 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 dell’impianto frigorifero, altri a ragioni di tipo elettrico. In particolare, per quest’ultimo 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.