5. COMPRESSORI A FLUIDO BIFASE 1 Introduzione
5.4. Aspetti critici dei compressori bifase
Di seguito si descrivono i principali aspetti critici associati ai compressori bifase.
5.4.1. Equilibrio termodinamico tra le due fasi
Durante la compressione di un fluido bifase accade l’incremento della pressione determina una significante diminuzione del volume della fase vapore ed una trascurabile diminuzione del volume della fase liquida. Pertanto l’incremento della temperatura è elevato per la fase vapore ed esiguo per la fase liquida. Al termine del processo in esame la temperatura delle due fasi può diventare approssimativamente uguale nel caso in cui ha luogo un adeguato scambio termico tra di esse, in tale situazione accade che le prestazioni di un compressore bifase sono sufficientemente elevate. Al fine di ottenere tale risultato, poichè il tempo impiegato per il processo di compressione è relativamente piccolo, è necessario che la superficie di scambio termico tra le suddette due fasi sia sufficientemente elevata. In altre parole il fluido bifase nel compressore bifase deve essere costituito da particelle in fase liquida aventi dimensioni molto piccole ed uniformemente disperse nella fase vapore [143].
A tale fine è possibile adoperare il sistema illustrato in Figura 5.7 [143] in cui sono presenti il separatore vapore-liquido (7), la pompa di circolazione (8), i nozzle (9, 10, 11) in ciascuno dei quali accade che la fase liquida viene resa disponibile sottoforma di minuscole particelle e le valvole (12A, 12B, 12C):
– Nel nozzle (9) accade che le minuscole particelle liquide, provenienti dalla tubazione (14), vengono uniformemente disperse nella fase vapore proveniente dalla tubazione (13), in seguito il fluido bifase in uscita da tale nozzle (9) viene inviato nella sezione di ingresso del compressore bifase (4);
– Le minuscole particelle liquide, in uscita da ciascuno dei nozzle (10), vengono inviate in altrettante sezioni intermedie del compressore bifase (4) in corrispondenza di altrettanti differenti valori della pressione. tramite le valvole (12B). L’impiego di tali nozzle (10) si rende necessario nel caso in cui non fosse trascurabile la aliquota di particelle liquide, immessa tramite il nozzle (9), trascinata verso la parete interna del compressore stesso. Tale situazione può essere causata da elevata velocità di rotazione delle parti mobili del compressore. Al fine di ottenere una uniforme dispersione delle particelle liquide all’interno della fase vapore è necessario che i nozzle (10) siano ubicati uniformemente secondo la direzione longitudinale del compressore bifase;
– Tramite la valvola di controllo (12C) si determina eventualmente la circolazione di una adeguata aliquota della fase liquida, la quale pertanto non viene inviata nel compressore. L’impiego di quest’ultima valvola si rende necessario nel caso in cui la aliquota di fase liquida, circolante nel compressore (4), fosse eccessivamente elevata: in tale situazione potrebbero avere luogo, internamente al compressore, trafilamenti di particelle liquide dalla regione a pressione maggiore alla regione a pressione minore.
Pertanto la riduzione del volume disponibile nel compressore per il fluido bifase, causata dall’evaporazione delle particelle liquide migrate verso la regione a bassa pressione, comporterebbe la diminuzione del rendimento volumetrico del compressore.
Figura 5.7. Compressore bifase: sistema per ingresso del fluido bifase [143].
Nella Figura 5.8 [162] è rappresentato il nozzle (51), ubicato immediatamente a monte di un condotto convergente-divergente (10), nel quale circola un fluido bifase ed in grado di disperdere uniformemente le particelle della fase liquida all’interno della fase vapore. In particolare nella parte terminale del nozzle (51) è posto il condotto convergente (53) sulla cui parete interna si trovano le scanalature elicoidali (55). Nel condotto convergente (53) si determina la separazione della fase liquida rispetto a quella vapore, in particolare la fase liquida si dirige verso la parete interna ove ha luogo la formazione di uno strato liquido. Le scanalature (55) producono un moto vorticoso del fluido. Il condotto (53) termina in corrispondenza della parete verticale (58) di ingresso del nozzle convergente-divergente (10), ove lo strato liquido viene disgregato in numerose particelle molto fini ed uniformemente disperse nella fase vapore. Il sistema bifase omogeneo in tal modo ottenuto circola nel condotto convergente-divergente (10). Il condotto (51) può essere realizzato in configurazioni alternative rspetto a quella descritta in precedenza allo scopo di determinare la formazione di un sistema bifase in cui le particelle in fase liquida molto fini ed uniformemente disperse nella fase vapore [162].
Figura 5.8. Nozzle bifase [162].
5.4.2. Usura, problemi meccanici
Di seguito si descrivono i fenomeni di usura ed i problemi meccanici dei compressori bifase, pertanto in tale situazione si rende necessario l’impiego di materiali aventi elevate proprietà meccaniche:
– Eventuali elevate pressioni meccaniche esercitate sulle superfici a seguito della implosione delle bolle di vapore in prossimità di esse;
– Asportazione dell’olio lubrificante (“lavaggio”) causata dalla fase liquida del fluido di lavoro [132] [134]. Al fine di evitare ciò è possibile usare un compressore in grado di operare in assenza di olio ossia la lubrificazione (incluso i cuscinetti) è eseguita dal medesimo fluido di lavoro (tale accorgimento è spesso costoso e può comportare eventuali problemi di corrosione). La presenza dell’olio lubrificante, asportato dal compressore, nel fluido di lavoro può comportare problemi al processo che si svolge negli altri componenti del ciclo termodinamico in cui è presente il compressore bifase (ad es. peggiore scambio termico negli scambiatori di calore ed inoltre non vi è certezza del ritorno dell’olio lubrificante nel compressore). Per evitare tali problemi causati dall’olio lubrificante si rende necessario impiegare un separatore (posto a valle del compressore bifase) in grado di effettuare la rimozione dell’olio dal fluido di lavoro. La separazione tramite gravità dell’olio da un fluido bifase non può essere effettuata in quanto la densità dell’olio è dello stesso ordine di grandezza di quella della fase liquida del fluido di lavoro, pertanto si rende necessario impiegare differenti tipologie di separatori, i cui costi possono essere maggiori rispetto a quelli associati all’impiego di un compressore bifase in grado di operare in assenza di olio lubrificante [134] [138];
– Formazione di emulsione o schiuma, originate dalla miscelazione tra la fase liquida del fluido di lavoro e l’olio lubrificante, con conseguenti problemi di funzionamento del dispositivo [134];
– Nei compressori bifase volumetrici può avere luogo un significativo incremento della pressione nella sezione di ingresso a seguito dell’intrappolamento ivi di particelle liquide (“slugging”) con conseguenti danni alle valvole ivi presenti. Tale problema può essere evitato inviando nella sezione di ingresso un fluido bifase omogeneo (sebbene la omogeneità di un fluido bifase non sia facilmente ottenibile) e/o diminuendo il gradiente del volume di controllo al variare della posizione delle parti mobili durante la compressione. I compressori scroll sono caratterizzati da minimo valore di tale gradiente, pertanto il problema dello slugging è evitato [134] [138] [154]. Il fenomeno dello “slugging” è stato studiato tramite idoneo modello matematico, elaborato da Liu, associato ad un compressore bifase rotativo a pistoni, in particolare è stato dimostrato che tale fenomeno dipende dal titolo del fluido di lavoro all’inizio del processo, dalla cinematica del compressore e dallo scambio termico tra il fluido di lavoro e la superficie del compressore [138] [154].
Tra le tipologie di compressore bifase prese in considerazione, il compressore bifase a doppia vite, presenta minore usura e minori problemi meccanici in virtù del valore modesto della velocità del fluido bifase [145]. Infine si osserva che nei compressori bifase volumetrici hanno luogo trafilamenti della fase liquida del fluido di lavoro dalla camera di compressione (a pressione maggiore) alla sezione di ingresso (a pressione minore) con conseguente evaporazione (“flashing liquid”). Ciò comporta un parziale riempimento della sezione di ingresso con conseguente diminuzione della portata massica del fluido entrante in tale sezione [155].