Componenti Principali

Generalmente si classificano le macchine frigorifere a compressione di vapore in base a:

• tipo di compressore (alternativo, rotativo, scroll, screw, centrifugo);

• tipo di evaporatore;

• taglia (piccola per taglie inferiori a 8,8 kW, medie e grosse per taglie superiori a 250 kW)

Come detto in precedenza una macchina frigorifera a compressione di vapore necessita di due scambiatori di calore, un compressore ed un dispositivo di riduzione della pressione.

Evaporatori

L’evaporatore è uno dei componenti principali in un sistema di refrigerazione, nel quale il refri- gerante evapora sottraendo calore all’ambiente circostante (aria, acqua o altre sostante). Possono essere classificati in tre categorie a seconda del mezzo che viene raffreddato:

• air cooler, un evaporatore che raffredda direttamente l’aria in uno spazio da refrigerare o un componente di un dispositivo. L’aria condizionata viene poi distribuita in un sistema di aerazione. In essi il refrgirante scorre in tubi metallici o tubi alettati mentre l’aria fluisce fra questi esternamente.

• liquid cooler, in questi, un loop di acqua viene raffreddato alle basse temperature per poi essere pompato in sistemi di aerazione secondari distaccati quali, fan coils o altri terminali per il condizionamento dell’aria (o altre applicazioni).

• l’evaporatore può essere usato per produrre direttamente ghiaccio come avviene nelle mac- chine del ghiaccio o nei sistemi di accumulo del ghiaccio.

Generalmente il dispositivo di riduzione di pressione è integrato nell’evaporatore e ne costituisce l’interfaccia di immissione del refrigerante, grazie al quale si ha la riduzione di pressione e la conse- guente laminazione con successiva evaporazione e sottrazione di calore dall’ambiente. È possibile suddividere gli evaporatori in ulteriori gruppi:

• Dx cooler, il liquido refrigerante è alimentato da un valvola di laminazione apposita per poi vaporizzare all’interno dei tubi in una batteria alettata che costituisce il vero è proprio evaporatore. Il mezzo a cui si sottrae calore è l’aria

• Flooded shell and tube liquid cooler, uno scambiatore a tubi e mantello nel quale il refrigerante evapora all’esterno dei tubi sottraendo calore ad acqua fluente all’interno di questi;

• Shell and tube liquid cooler with DX refrigerant feed, in questo evaporatore il refrigerante scorre nei tubi mentre l’acqua da refrigerare passa nel mantello. L’alimentazione del fluido refrigerante avviene per strozzamento causando la riduzione di pressione richiesta;

• liquid overfeed cooler;

• direct-expansion ice maker;

(a) Schema di Flooded shell and tube liquid cooler

(b) Schema di Shell and tube liquid cooler with DX refrigerant feed

Generalmente la maggior parte di questi scambiatori sono di tipo tubi e mantello per sistemi refrigerativi di grossa taglia.

Condensatori

Il processo di condensazione costituisce spesso il punto debole di un ciclo frigorifero. La spesa richiesta per effettuare la refrigerazione aumenta al crescere della temperatura ambiente e perciò della temperatura di condensazione del refrigerante, in quanto aumenta la distanza tra i livelli termici di esercizio del ciclo (aumenta l’area del ciclo). La scelta del mezzo di estrazione di calore dal condensatore è spesso dettata da motivi geografici. In un condensatore raffreddato ad acqua, se questa non proviene da una sorgente d’acqua disponibile in abbondanza allora quest’acqua sarà ricircolata in un apposito loop con presenza di torri di raffreddamento, le quali, essendo general- mente a tiraggio forzato in questo tipo di applicazioni, comportano una voce di spesa energetica per azionare i ventilatori. Perciò l’uso di acqua proveniente da laghi, fiumi, acquiferi sotterranei viene usata in configurazione once-through previo necessario trattamento chimico e poi rigettata nella sorgente d’acqua senza richiedere l’uso di torri di raffreddamento per ripristinare le condizioni a monte del condensatore. Per applicazioni in cui il mezzo in cui si riversa il calore al condensatore

(a) Schema di un condensatore doppio

tubo (b) Schema di un condensatore Shell-and-Tube

è aria (sistemi split), sono impiegati i cosiddetti motocondensanti. Se l’impianto di refrigerazione è nei pressi di un litorale marino, può essere conveniente usare acqua di mare a patto che la spesa derivante dall’impiego di leghe resistenti alla corrosione resti inferiori all’onere economico legato all’installazione di torri di raffreddamento. In applicazioni di condizionamento dell’aria sono larga- mente usati i condensatori shell-and-tube orizzontali per grosse taglie e i condensatori doppio-tubo per sistemi di piccola taglia. Tali sistemi sono utilizzati laddove sia richiesta un ridotto ingombro e semplicità operativa. Il loro uso è tipico nelle installazione di climatizzazione domestica.

(a)Schema di un motocondensante (b) Profili di scambio termico in un motocondensante

Compressori

Un’ulteriore metodo di classificazione dei sistemi refrigerativi a compressione di vapore è lega- to al tipo di compressore usato come detto all’inizio di questa sezione. Normalmente il tipo di compressore, la taglia del sistema e il tipo di evaporatore usato sono interrelazionati. I compres- sori centrifughi sono impiegati per sistemi di grossa taglia, mentre per sistemi di piccola taglia si utilizza un evaporatore air-cooler accoppiato ad un compressore volumetrico. Il compressore è il cuore di un sistema frigo a compressione di vapore, la sua funzione è quella di innalzare la pressione del refrigerante e fornire l’energia primaria necessaria per la circolazione del refrigerante. I compressori volumetrici sono macchine operatrici che incrementano la pressione del vapore di refrigerante attraverso la progressiva riduzione dei volumi di camere interne alla macchina. In queste si trasforma lavoro utile direttamente in energia statica di pressione con bassi regimi di rotazione delle parti mobili. I compressori dinamici sono invece macchine operatrici nei quali il lavoro utile viene ceduto ad un flusso di vapore al fine di innalzarne l’energia cinetica in una girante (rotore) per poi essere trasformata in energia statica di pressione nella parte fissa della macchina (statore). Le macchine dinamiche sono caratterizzate da alte velocità di rotazione. Normalmente l’unico tipo di compressore dinamico ampiamente utilizzato nella refrigerazione è il compressore radiale centrifugo. I compressori volumetrici possono essere descritti seguendo un convenzionale ciclo di riferimento, nel quale si descrivono le varie fasi operative e con le quali è possibile dare una descrizione della performance di queste macchine.

I compressori volumetrici sono dettagliatamente descritti analizzando le trasformazioni che posso- no essere osservate seguendo le porzioni di fluido mentre evolvono nella macchina. Un parametro tipicamente utilizzato per esprimere l’efficienza di un compressore è il rendimento isoentropico di compressione nel caso di compressioni adiabatiche.

ηis,comp=

Wid

(a)Sezione di un compressore volume-

trico scroll (b)Sezione di un compressore centrifugo doppiostadio

Figura 6.2: Diverse tipologie di compressore impiegato nei cicli frigoriferi

In fig.6.2 si riportano le sezioni dettagliate di un compressore volumetrico di tipo scroll per impianti frigoriferi di piccola taglia e di un compressore centrifugo a doppio stadio per installazioni di grossa taglia. I chiller a compressione di vapore sono generalmente caratterizzati da un COP massimo variabile in un range tra 2,5 e 3,5 a seconda del mezzo interagente nello scambio termico al condensatore. La situazione è diversa in condizioni operative, analizzando l’andamento stagionale del coefficente di prestazione. In zone temperate, soggette a frequenti variazioni climatiche e repentine oscillazioni della temperatura ambiente si ha un netto distacco tra il COP di progetto della macchina frigorifera e il SCOP (Seasonal COP), il coefficiente che tiene conto dell’efficienza media della macchina a causa delle variazioni delle condizioni operative con allontanamento dal punto di progetto. Il SCOP può scendere anche fino a valori di 1,8-2,3 nelle fasce climatiche del Sud Europa a causa delle numerose variazioni di temperatura nel corso di una stessa stagione e nel corso di una stessa giornata.