Ciclo frigorifero a compressione di vapore saturo:
T
T1
T1
Lavoro
speso
Q1
C
L
T2
Frigorie
prodotte
Q2
T2
S
Q1
Riscaldatore
Espansore
L2
Compressore
L1
Raffreddatore
Q2
PCond
PEvap
3
TCond
2
Lavoro speso
TEvap
x4
4
Frigorie prodotte
1 x
1
Q1
L2
Condensatore
Espansore
Compressore
Evaporatore
Q2
L1
Abbiamo dimostrato che, a parità di
temperature “estreme”, la macchina di
Carnot, utilizzata nel ciclo inverso (sia
come pompa di calore sia come
frigorifero), è quella che offre il miglior
COP rispetto a tutte le altre macchine
politermiche reversibili usate in ciclo
inverso.
Seguendo gli stessi ragionamenti fatti per
le
macchine
termiche,
possiamo
individuare nella difficoltà di eseguire le
trasformazioni isoterme e nella modesta
quantità di calore che è possibile
scambiare nelle trasformazioni che
utilizzano un gas, i motivi per i quali è
conveniente realizzare un ciclo isobaroadiabatico (ciclo Joule inverso) all’interno
della campana dei vapori saturi.
Consideriamo un ciclo di Joule inverso
che utilizza un gas come fluido di lavoro
ed è realizzato per mezzo di due
scambiatori di calore: uno lavorante a
bassa temperatura (raffreddatore) ed uno
lavorante a temperatura più elevata
(riscaldatore) e di due organi meccanici
(l’espansore ed il compressore).
E’ possibile pensare di realizzare un ciclo
isobaro-adiabatico come quello Joule,
all’interno della campana dei vapori saturi
di un fluido qualsiasi.
Sul diagramma T,S è possibile vedere
come il ciclo Joule inverso si trasformi in
un ciclo di Carnot inverso.
Il raffreddatore diviene ora l’organo in
cui si ha il passaggio di stato liquidovapore (evaporatore) con sottrazione di
calore al fluido che si vuole raffreddare o
all’ambiente, il riscaldatore diviene
l’organo in cui il fluido torna allo stato
liquido (condensatore) cedendo calore al
fluido che si vuole riscaldare o
all’ambiente.
Nello schema le dimensioni del cilindretto
espansore sono più piccole rispetto a
quelle del compressore, per ricordare
appunto che il primo lavora con un liquido
(piccolo volume specifico) mentre il
secondo lavora con un vapore, e per di più
a bassa pressione.
1
Tsurrisc
2
PCond
PEvap
4
TCond
3
Lavoro speso
TEvap
5
x5
1
Frigorie prodotte
Valgono ovviamente le stesse considerazioni
fatte per i cicli diretti all’interno della
campana dei vapori saturi, pertanto il punto
(1) di inizio compressione non può essere nel
vapore umido col titolo x1.
La prima modifica consiste allora nel
mandare al compressore vapore saturo secco,
cosa che si può ottenere spingendo
l’evaporazione fino alla linea x=1 oppure,
come si fa in pratica, interponendo un
separatore di liquido.
In uscita dal compressore adiabatico (1-2) si avrà vapore surriscaldato e sarà necessario modificare
il condensatore per tenere conto del tratto (2-3) in cui si avrà il desurriscaldamento del fluido. Segue
quindi il tratto di condensazione (3-4).
Un’altra modifica riguarda l’eliminazione del cilindretto espansore il cui compito è quello di portare
il fluido di lavoro dalla pressione del condensatore a quella dell’evaporatore con l’espansione
adiabatica (4-5). In quest’organo si raggiunge anche la temperatura più bassa del ciclo.
Lavorando con un vapore che alla fine dell’espansione, è umido, il cilindretto espansore ha
difficoltà a realizzare una trasformazione adiabatica e l’eventuale recupero del modestissimo lavoro
fornito non giustifica le complicazioni meccaniche della macchina connessi al funzionamento delle
valvole, delle tenute ed i problemi di lubrificazione che intervengono alle temperature più basse.
Condensatore
Q1
Desurriscaldatore
Si ricorre quindi ad una valvola di
strozzamento che adempie alla stessa
funzione del cilindretto espansore senza
avere però parti in movimento.
Compressore
Valvola di
laminazione
L1
Evaporatore
Il prezzo da pagare per questa notevole
semplificazione meccanica della macchina
è rappresentato dalla perdita di frigorie
dovute alla sostituzione della originale
trasformazione adiabatica (4-5) con quella
irreversibile (4-5’) che, essendo un
processo di laminazione, si svolge ad
Entalpia costante.
Q2
Tsurrisc
2
PCond
PEvap
4
TCond
x5
3
Lavoro speso
TEvap
5
5’
Frigorie prodotte
Frigorie perdute
1
Nel diagramma (T,S) è evidente che le
frigorie che erano prodotte prima della
modifica, individuate dall’area sottesa dalla
trasformazione isoterma (5-1), si riducono
a quelle relative all’aerea sottesa dalla
trasformazione (5’-1).
Per potere recuperare, almeno in parte,
queste frigorie è necessario ricorrere ad
un’ulteriore modifica che coinvolge ancora
una volta il condensatore.
2
Q1
Surraffreddatore
Desurriscaldatore
Compressore
Condensatore
Valvola di
laminazione
L1
Evaporatore
Q2
Tsurrisc
2
PCond
PEvap
4
TCond
Tsurraff
3
5
Lavoro speso
TEvap
x6 6
Surraffreddatore
Liquido
sottoraffreddato
Valvola di
laminazione
1
Frigorie prodotte
Liquido
saturo
Infatti, prolungando nelle ultime sezioni del
condensatore il processo di raffreddamento
del liquido, questo passa da liquido saturo a
liquido “surraffreddato” mediante la
trasformazione isobara (4-5).
Partendo da un punto 5 a temperatura più
bassa, la laminazione (5-6) consente il
recupero di buona parte delle frigorie che
altrimenti sarebbero andate perdute.
E’ evidente però che sottoraffreddare il
liquido fino al punto 5 presuppone la
disponibilità di un fluido di raffreddamento
del condensatore avente temperatura pari o
inferiore a Tsurraff .
In alternativa è possibile utilizzare il fluido
in uscita dalla valvola di strozzamento per
raffreddare, in un altro piccolo scambiatore
di calore, il liquido saturo in uscita dal
condensatore.
Lo schema completo di un frigorifero a
compressione di vapore saturo è mostrato
nelle figure seguenti.
Q1
Schema di impianto frigorifero
con separatore di vapore e
serbatoio di liquido.
Liquido
+ vapore
Vapore
surriscaldato
Condensatore
Vapore
saturo
L1
Compressore
Liquido
+ vapore
Vapore
+ liquido
Evaporatore
La
circolazione
nell’evaporatore
avviene grazie alla differenza di peso
specifico tra la colonna liquida
discendente e la colonna bifase
ascendente.
Liquido
saturo
Q2
3
Surraffreddatore
Valvola di
laminazione
Liquido
sottoraffreddato
Liquido
saturo
Q1
Liquido
+ vapore
Vapore
surriscaldato
Condensatore
Vapore
saturo
L1
Compressore
Evaporatore
Serbatoio
di liquido
Vapore
+ liquido
Schema di impianto
frigorifero con serbatoio
di liquido.
Liquido
+ vapore
Q2
Il compressore
Il compressore dei piccoli frigoriferi industriali o dei frigoriferi domestici è generalmente del tipo
alternativo a pistone (uno o due) condotto da un motore elettrico. Oggi si vanno affermando sempre
di più i modelli rotativi (scroll) più silenziosi ed esenti da vibrazioni.
Il raffreddamento del motore è affidato allo stesso fluido frigorigeno che viene aspirato dal cilindro
direttamente all’interno del contenitore ermetico.
4
Motore :
Rotore
Statore
Flusso
del
Freon
Ingresso Freon
Bassa Pressione
Bassa Temperatura
Pistone
Zona di
Compressione
Albero
Lato
aspirazione
Valvole
Biella
Uscita Freon
Alta Pressione
Alta Temperatura
olio
Resistenza
scaldante
(opzionale)
Il compressore è senza dubbio la parte più complessa e delicata di tutta la macchina frigorifera, sia
dal punto di vista meccanico che elettrico.
La realizzazione del compressore ermetico ha consentito la grande diffusione dei frigoriferi per uso
domestico, dei congelatori e dei condizionatori.
L’industria del freddo è riuscita infatti a progettare e produrre un componente capace di svolgere il
suo lavoro in modo continuativo per un tempo superiore a dieci anni (che si stima essere la vita
media di questi tipi di elettrodomestici) che non avesse bisogno di alcun intervento di manutenzione
straordinaria o programmata, operazioni che - in caso di installazioni in luoghi remoti - potrebbero
essere difficili e costose.
L’integrazione del compressore vero e proprio con il motore elettrico in un unico involucro
ermetico risolve insieme tutti i problemi di raffreddamento, lubrificazione e difesa dalla polvere e
dagli agenti esterni.
Il compressore ermetico viene sigillato in fabbrica con una carica di partenza di fluido refrigerante e
una provvista di lubrificante destinate a durare per tutta la vita del componente, il contenitore stagno
stabilizza le qualità del lubrificante così che esso non possa ossidarsi, né inquinarsi, né disperdersi
nell’ambiente.
Il motore elettrico, posto al riparo dalla polvere, viene attraversato dal fluido refrigerante durante la
fase di aspirazione ed è pertanto continuamente mantenuto nelle condizioni ottimali di temperatura,
potendo così di risparmiare sul dimensionamento degli avvolgimenti rispetto a un motore di pari
potenza che dovesse lavorare all’esterno.
5
Il frigorifero domestico
Interno
Evaporatore
Capillare di
laminazione
Condensatore
Esterno
Serbatoio
di liquido
Porte del frigo (1 e 5)
Termostato (2)
Manopola del termostato (3)
Scomparto a bassa temperatura (4)
Griglia per l'aria di raffreddamento del
condensatore (6)
Primo evaporatore (7 ) a temperatura < 0°C
Condensatore (8)
Secondo evaporatore (9) a temperatura > 0°C
Elemento sensibile del termostato (10) a contatto
con l'evaporatore
Capillare di laminazione (11)
Gocciolatoio (11 e 12), convoglia l’acqua di
condensa all'esterno del frigorifero, sopra il
compressore caldo che la fa evaporare.
Compressore (13)
Compressore
Termostato
Il frigorifero domestico non ha alcun tipo di controllo
diretto sul ciclo termodinamico ma soltanto un controllo di
tipo ON/OFF sul funzionamento del compressore in base
alla temperatura raggiunta dalla piastra dell’evaporatore.
6
Il frigorifero industriale
Valvola
termostatica
A differenza del frigorifero
domestico, i frigoriferi industriali
si servono della temperatura in
uscita dall’evaporatore per attuare
una regolazione basata sulla
portata del fluido frigorigeno.
Supponendo che il compressore
lavori a potenza costante ed in
regime stazionario, è evidente che
un aumento del carico (p.es.
Serbatoio di
liquido
l’introduzione di una massa calda
da raffreddare all’interno del
frigorifero)
provoca,
oltre
Evaporatore
Condensatore
all’evaporazione
completa
del
Compressore
fluido di lavoro, anche il suo
surriscaldamento.
Al contrario, una riduzione del
carico, ha come effetto una
insufficiente quantità di liquido
evaporato ed un fluido troppo
umido in uscita.
Per riportare la macchina nelle condizioni ottimali di lavoro (titolo in uscita x = 1) è necessario nel
primo caso aumentare la quantità di fluido circolante, nel secondo ridurla.
La regolazione della portata del fluido di lavoro può farsi manualmente mediante un rubinetto
inserito appositamente nel circuito, oppure automaticamente, utilizzando un sistema semplice ed
ingegnoso che controlla la luce di strozzamento della valvola di laminazione.
La valvola termostatica
7
Psat = f (Tevap)
dal
condensatore
Il bulbo contiene una piccola
quantità di liquido in equilibrio
con il suo vapore. Come è noto,
basta una piccolissima quantità
in peso di liquido per ottenere un
valore elevato del titolo della
miscela nel volume (pressoché
all’evaporatore
costante) formato dal bulbo, dal
capillare e dallo spazio superiore
del diaframma.
Se supponiamo che il titolo sia
intorno a 0,5 è evidente che le
limitate
escursioni
della
temperatura durante il normale
funzionamento del frigorifero
manterranno sempre il fluido in
condizioni di saturazione.
Posto il bulbo in contatto
termico con la tubazione di
uscita dell’evaporatore, potremo
affermare che nella parte
superiore del diaframma regna
una pressione che è funzione
della temperatura della sezione
di uscita dell’evaporatore.
L’aumento del carico frigorifero ha, come si è detto,
l’effetto di surriscaldare il fluido di lavoro
portandolo dal punto 1 di funzionamento normale al
punto 1’; l’aumento di temperatura provoca un
aumento della forza che agisce sulla parte superiore
del diaframma, forza che non è bilanciata da quella
che agisce nella parte sottostante e che è legata alla
pressione dell’evaporatore. Pertanto la punteria di
regolazione si abbassa, allargando la luce di
passaggio del fluido e provocando l’aumento della
portata del fluido frigorigeno. Viene quindi così
contrastato l’aumento del carico.
E’ evidente però che in queste condizioni non è
possibile contrastare la diminuzione del carico,
perché essa non provoca alcuna variazione di
temperatura e quindi nessuna variazione di
pressione nella parte superiore della valvola.
Nella pratica allora si fornisce un certo grado di
surriscaldamento iniziale (6 ÷7 °C) al punto di
funzionamento stabile, consentendogli così un
margine di regolazione nei due sensi.
Per fare sì che la valvola “creda” di essere sempre
nel punto a x = 1 si elimina la sovrapressione legata
al surriscaldamento iniziale agendo, mediante la
vite di regolazione, sulla molla di contrasto.
8
Il Diagramma LogP-J
Il funzionamento delle macchine frigorifere viene di solito descritto utilizzando un diagramma di
stato che riporta in ordinate il Logaritmo decimale della Pressione ed in ascissa l’Entalpia.
T crit.
T = cost
S = cost.
Nella figura è riportato il diagramma LogP-J
dell’acqua. Si noti l’andamento delle linee
isoterme, che risultano parallele alle linee
isoentalpiche dove il calore specifico cP è
costante, come avviene a sinistra nella
regione del liquido e a destra nella regione
dove il fluido può essere considerato gas
perfetto.
T = cost
Liq. sat.
Vap. sat.
P e T cost.
Questo
diagramma
risulta
essere
particolarmente utile perché, a differenza di
altri diagrammi, in esso possono essere
rappresentate con chiarezza tutte le
trasformazioni del ciclo frigorifero.
Abbiamo visto infatti che, p.es. nella
rappresentazione del ciclo Rankine sui
diagrammi P-V, LogP-V e T-S, alcune
trasformazioni
(e
precisamente
il
riscaldamento del liquido in caldaia nel P-V
ed il lavoro della pompa nel T-S) risultano
praticamente invisibili.
Compressore
Valvola di
Laminazione
Utilizzando il diagramma LogP-J di un fluido
qualsiasi, è possibile evidenziare tutte le
trasformazioni principali di un ciclo
frigorifero.
E’ evidente come l’inclinazione della linea
isoentropica influenzi la quantità di lavoro da
fornire nel compressore attraverso la
Condensatore
temperatura raggiunta alla fine della
compressione.
In figura sono mostrate le trasformazioni a
pressione costante che hanno luogo nel
compressore:
Evaporatore
- il desurriscaldamento,
- la consensazione
Margine per la
- il surraffreddamento
valvola termostatica
Si ha quindi la laminazione con produzione
di liquido saturo con tracce di vapore.
Segue, sempre a pressione costante, la
produzione di frigorie nell’evaporatore.
E’ mostrato infine il piccolo tratto di surriscaldamento necessario al funzionamento della valvola
termostatica.
9
Evaporatore
Condensatore
Le pompe di calore
Condensatore
Evaporatore
Pompa di calore in ciclo di raffreddamento
Pompa di calore in ciclo di riscaldamento
Le figure mostrano gli schemi di funzionamento una macchina invertibile aria-acqua (Delchi
PSH 037) usata come frigorifero, (in ciclo di raffreddamento) e come pompa di calore (in ciclo di
riscaldamento). E’ evidente che, come si è fatto notare in precedenza, si tratta sempre della stessa
macchina in cui si sono semplicemente invertite le funzioni dei due scambiatori di calore.
L’unico organo che non è possibile far funzionare all’inverso è la valvola termostatica sia per ciò
che riguarda la direzione di passaggio del fluido sia per la posizione del sensore di temperatura di
riferimento. Per questo motivo nella macchina sono montate due valvole termostatiche in direzioni
opposte, opportunamente by-passate da valvole di ritegno. Nelle tabelle sono riportati gli andamenti
della resa della macchina in funzionamento estivo ed in funzionamento invernale. Le caselle
campite in verde nelle due tabelle si riferiscono alla macchina che lavora nelle stesse condizioni.
10
Si ha infatti :
COPH = COPR + 1 ; 3,57 ≅ 2,6 + 1
Si ricordi: 1 kWatt = 860,42 Cal/h
Resa in raffreddamento (frigorifero)
COP
COP
2,5
1,6
2,6
1,7
2,7
1,7
1,8
2,8
1,8
2,9
3,0
MAX
MIN
2,7
2,6
2,3
2,2
2,0
1,9
Resa in riscaldamento (pompa di calore)
MAX
MIN
Nel computo dei COP non sono considerate le potenze necessarie alla movimentazione dei fluidi di
lavoro
11
Le pompe di calore invertibili più moderne adottano alcune soluzioni tecniche innovative per
migliorare il COP e diminuire il rumore e le vibrazioni prodotte dal compressore.
Tra queste soluzioni ricordiamo:
-
l’adozione del compressore rotativo (scroll) al posto di quello alternativo a pistoni,
l’uso di un sistema elettronico (inverter) per controllare con continuità la velocità di
rotazione del compressore attraverso la variazione della frequenza della tensione di
alimentazione del motore.
L’adozione dell’inverter permette quindi di modulare la potenza della macchina riducendola
gradualmente quanto più ci si avvicina alle condizioni termoigrometriche desiderate. L’adozione di
un controllo di tipo proporzionale consente di evitare o ridurre al minimo i cicli di ON/OFF della
macchina, favorendo un più rapido raggiungimento del set-point desiderato ed un più preciso
mantenimento della temperatura impostata.
12
Anche se i costi dell’energia sono fortemente variabili ed ogni valutazione di convenienza
economica ha una attualità limitata nel tempo, si può tuttavia cercare di fornire delle indicazioni
qualitative di larga massima sulla convenienza di una forma di riscaldamento rispetto ad un’altra in
base a criteri del tutto generali.
Nella figura sono riportati gli andamenti qualitativi dei costi unitari di produzione dell’energia
termica per riscaldamento mediante l’uso diretto dell’energia elettrica, l’uso di una caldaia a gas e
l’uso di una pompa di calore.
Per ciò che concerne il riscaldamento elettrico, è del tutto ovvio che l’efficienza della conversione
diretta dell’energia elettrica in calore non è legata in alcun modo della temperatura esterna ed il
rendimento di conversione è sempre del 100%.
Diversa è la situazione della caldaia tradizionale a gas o a gasolio, infatti il rendimento di
conversione nel bruciatore non è unitario, perché parte del calore prodotto in caldaia viene perduto
nel calore sensibile dei fumi ed anche il rendimento complessivo dell’impianto è legato alla
temperatura esterna perché all’aumentare di questa il funzionamento della caldaia diventa
intermittente con peggioramento delle caratteristiche dell’impianto e diminuzione della vita utile.
Al contrario, il COP della pompa di calore tende a migliorare con l’aumentare della temperatura
esterna. Per ciascuna situazione climatica vi sarà pertanto un punto di equilibrio che individua la
convenienza economica di un tipo di impianto rispetto ad un altro.
Ulteriori parametri da prendere in considerazione nella scelta di un impianto di riscaldamento sono
legati ai costi di acquisto e manutenzione ai tempi di utilizzo ed alla conduzione dell’impianto da
parte dell’utente.
13