Refrigerazione ciclo frigorifero e climatizzazione

     

    Refrigerazione e ciclo frigorifero e climatizzazione


    Tratto da wikipedia : La refrigerazione è il processo finalizzato all'abbassamento della temperatura di un ambiente (una stanza, un vano, l'interno di un contenitore) al di sotto della temperatura ambiente.

    Refrigerazione ciclo frigorifero e climatizzazione

 

La refrigerazione deve intendersi come un trasferimento di calore da un luogo dove risulta in eccesso ad un altro dove possa venire liberamente smaltito, senza provocare danno o inconvenienti. Il calore si trasmette spontaneamente da un corpo più caldo ad uno a temperatura inferiore. Il calore può trasmettersi in tre diversi modi:

  • radiazione: forma di trasmissione di calore mediante onde di tipo infrarosso;
  • conduzione: forma di trasmissione di calore attraverso corpi solidi, le molecole del corpo trasmettono la propria energia termica dal punto riscaldato a tutte le altre parti del corpo;
  • convezione: forma di trasmissione di calore tipica dei fluidi (liquido o gas), le molecole del fluido in stato di agitazione termica, migrano attraverso l'ambiente nel quale è confinato il fluido, generando i cosiddetti "moti convettivi".
Questi utlimi due, in particolare, sono utilizzati nella progettazione dei dispositivi di refrigerazione. Questo trasferimento viene effettuato materialmente da un fluido refrigerante che circola entro un appropriato circuito, detto CIRCUITO FRIGORIFERO. Un fluido refrigerante, pertanto, deve avere la proprietà di evaporare a temperatura e pressione ridotte, di assorbire calore e di cedere questo calore condensando a una temperatura e una pressione più elevate. Questo procedimento necessita di un apporto energetico. Stato dei corpi In natura le sostanze si presentano in tre stati diversi: solido, liquido, gassoso. Aggiungendo calore ad una sostanza mantenendo invariata la pressione, è possibile cambiare il suo stato da solido a liquido e da liquido a gassoso, viceversa abbassandone la temperatura si può ottenere il processo inverso (da gas a liquido, da liquido a solido). Inoltre, aumentando la pressione a temperatura costante è possibile cambiare lo stato di una sostanza da gassoso a liquido e da liquido a solido, mentre diminuendola si ottiene il processo inverso (da solido a liquido, da liquido a gassoso). Ciò che determina la differenza di stato delle sostanze è la distanza relativa fra le molecole. L'acqua è presente in natura in tutte e tre gli stati.
1. Il compressore comprime fluido refrigerante portandolo ad una forma gassosa. 2. Il fluido refrigerante, sotto forma di gas, condensa e diviene liquido ad alta pressione e grazie alla serpentina posta sul retro del frigorifero dissipa il proprio calore. 3. Successivamente il fluido refrigerante in forma liquida ad alta pressione scorre attraverso la valvola di espansione (organo di laminazione o regolazione). La valvola di espansione è un componente che viene montato fra condensatore ed evaporatore con la funzione di determinare una forte caduta di pressione. Questa valvola soddisfa due funzioni: permette innanzitutto di dosare la quantità di liquido refrigerante necessario nell'evaporatore ed inoltre genera anche un differenziale di pressione indispensabile al completamento del ciclo. Un differenziale di pressione è molto importante in un ciclo di refrigerazione perché causa un cambiamento del punto di ebollizione del gas. Senza questo cambiamento di pressione la refrigerazione non avverrebbe e il sistema non sarebbe altro che un semplice contenitore di liquido refrigerante. 4. Il fluido refrigerante in forma liquida bolle immediatamente ed evapora assorbendo calore. Questo processo rende l'interno del frigorifero freddo. Il fluido refrigerante sotto forma gassosa successivamente viene aspirato dal compressore e il ciclo si ripete. Il rapporto tra la quantità di calore ceduto nel condensatore e la quantità di calore spesa in lavoro meccanico, ovvero quantità di energia elettrica consumata per il funzionamento del compressore, viene chiamato COP (Coefficient of Performance) e dipende dalle temperature di evaporazione e di condensazione e dalla qualità intrinseca della macchina.

 

     

    Refrigerazione e ciclo frigorifero e climatizzazione

 

CICLI  FRIGORIFERI

 

I cicli frigoriferi sono trasformazioni termodinamiche cicliche che avvengono in particolari  macchine chiamate macchine inverse, in quanto in queste macchine il lavoro viene sfruttato invece di essere prodotto.

Una macchina inversa, detta anche macchina frigorifera, può essere schematizzata nel seguente modo:

 

Figura 1 : Schema a blocchi di una macchina  frigorifera

 

Le macchine frigorifere possono essere utilizzate principalmente per due scopi differenti :

  •  mantenere freddo il serbatoio a temperatura inferiore T2  (ad es. il frigorifero di casa) ;
  •  fornire calore al serbatoio a temperatura  superiore T1 (ad es. la pompa di calore) ;
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  • Nel primo caso, come si può ben  vedere dalla figura precedente, la macchina mantiene la temperatura T2 costante (in teoria) assorbendo il calore Q2, inoltre cede il calore Q1 al serbatoio a temperatura T1, che di solito è rappresentato dall’ambiente esterno.E’ per questo motivo che un normale frigorifero, durante il suo funzionamento,  emette calore nell’ambiente attraverso una serpentina che funziona come una  vera e propria stufetta,rendendo spesso la cucina la stanza più calda di una casa.
  • Nel secondo caso invece quello che interessa è il calore Q1  che la macchina è in grado di fornire al serbatoio a temperatura T1, ossia lo scopo è il riscaldamento di un ambiente come ad esempio un appartamento.Questo può avvenire assorbendo il calore Q2 da un serbatoio che in questo caso viene rappresentato dall’ambiente esterno, inoltre è necessario utilizzare il lavoro L.
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  • Osservando il funzionamento di una macchina frigorifera si può notare che essa non è molto diversa da una macchina a ciclo Rankine ( vedi lezione precedente), che può essere considerata la rispettiva macchina diretta.
  •  Nella figura 2 è rappresentato uno schema di un impianto frigorifero, in cui ogni componente può essere considerato un sistema aperto:
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  • Figura 2 : Schema di un impianto frigorifero
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  • Come si può vedere la macchina inversa è composta dagli stessi elementi della macchina diretta, anche se la turbina in questo caso può essere sostituita  da una valvola di laminazione. Infatti il lavoro l’ prodotto dalla turbina risulta essere molto piccolo, così non viene più recuperato, allora  si preferisce utilizzare una valvola di laminazione che ha un costo inferiore.Queste somiglianze si ritrovano anche nelle particolari trasformazioni che subisce il fluido all’interno della macchina, infatti una macchina inversa utilizza un ciclo Rankine percorso appunto in senso inverso.
  • Studiamo ora nel dettaglio i vari passaggi del ciclo frigorifero dandone una rappresentazione sul diagramma p-v :

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  • Figura 3 :  Diagramma p-v di un ciclo frigorifero
  •  1->2  Il fluido, che in 1 si trova allo stato di  vapore saturo secco (titolo unitario), passa attraverso un compressore  che ne aumenta la pressione per mezzo di una trasformazione adiabatica reversibile. Durante questo passaggio si verifica un aumento significativo della temperatura del fluido, che in 2  si trova nel campo del vapore surriscaldato.
  •  2->2’, 2’->3  Il fluido percorre la serpentina del condensatore e cedendo calore Q1 comincia a raffreddarsi (2->2’) a pressione costante, fino a raggiungere in 2’ lo stato di vapore saturo secco; a questo punto, sempre a pressione costante, il vapore comincia a condensare (2’->3) e a temperatura costante giunge in 3, che si trova sulla curva limite inferiore (titolo 0).
  •  3->4  Il fluido entra nella valvola di laminazione e subisce una trasformazione isoentalpica (h3 = h4) che ne diminuisce la pressione e la temperatura e ne aumenta il volume. L’uso della valvola fa sì che questa trasformazione non sia più adiabatica reversibile come nel caso della turbina (3->4’), anzi, la valvola rende questo processo fortemente irreversibile e da ciò deriva l’impossibilità di tracciare un percorso definito da 3 a 4. Altrettanto indefinita risulta essere l’area del ciclo frigorifero, e questo rappresenta uno svantaggio rilevante.
  •  4->1 Il fluido, che in 4 è quasi completamente liquido, entra nell’evaporatore e a pressione costante comincia la vaporizzazione  assorbendo il calore Q2 fornito al sistema , fino a raggiungere lo stato iniziale 1 nel quale può ricominciare il ciclo.
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  • Il ciclo frigorifero può essere descritto anche attraverso un diagramma T-s :
  • Figura 4 :  Diagramma T-s di un ciclo frigorifero
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  • In questo diagramma notiamo che la fase di compressione 1->2 è effettivamente reversibile (s1= s2) , così come sarebbe reversibile la fase di espansione  3->4’ ad opera della turbina , a differenza dell’espansione  3->4 della valvola che è visibilmente irreversibile, in quanto s4>s3. Nel punto 2’ abbiamo una cuspide, mentre le fasi di condensazione 2’->3 e di vaporizzazione 4->1 avvengono a temperatura costante.
  • Per descrivere meglio tutte queste fasi risulta utile anche il cosiddetto diagramma di Mollier (h-s) :
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  • Figura 5 :  Diagramma  h-s di un ciclo  frigorifero
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  • Guardando il diagramma,  si può vedere  bene la differenza  tra le due trasformazioni 3->4’ e 3->4:  la prima è reversibile e quindi avviene ad entropia specifica costante mentre la seconda è irreversibile ed isoentalpica, in quanto l’entalpia specifica dei due stati 3 e 4 risulta essere uguale (h3 = h4).
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  • La sostanza utilizzata all’interno di una macchina frigorifera viene chiamata refrigerante. Uno dei fluidi refrigeranti più utilizzati a livello industriale è il Freon F12, che purtroppo ha la spiacevole caratteristica di appartenere alla categoria dei CloroFluoroCarburi (CFC), che danneggiano lo strato di ozono che protegge la Terra dalle radiazioni ultraviolette emesse dal Sole. Per questo motivo sono state emanate di recente alcune leggi che vietano l’uso del Freon e che obbligano a sostituire tale fluido nelle macchine vecchie che necessitano di riparazioni. Sarebbe molto vantaggioso poter usare l’acqua come sostanza refrigerante, ma questo non avviene perché le temperature che si vogliono raggiungere vanno sotto gli 0°C.
  • Un altro fluido molto usato per questi  scopi  è l’ ammoniaca NH3, che è meno inquinante del Freon ma può comunque essere pericoloso per la salute, in quanto le sue esalazioni provocano bruciori alle vie respiratorie.
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  • Figura 6 : Esempio di una macchina frigorifera industriale che utilizza Freon o Ammoniaca.
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  • L’inquinamento ambientale dovuto alle macchine frigorifere  è comunque limitato rispetto ad altri prodotti industriali: nei frigoriferi comuni è presente una quantità di Freon che viene liberata nell’ambiente in circa 10 anni, mentre la stessa quantità di sostanza viene emessa da 4 o 5  bombolette spray in un tempo molto minore.
  • La casa produttrice DuPont vende i suoi prodotti chimici fornendo i relativi datasheet, ossiai dati caratteristici, sotto forma di  diagrammi  p-h, mentre non vengono solitamente divulgate le tabelle dei fluidi, che possono essere richieste solo firmando un NDA , un contratto per cui ci si impegna a mantenere la riservatezza sulle informazioni di cui si viene a conoscenza. Un esempio di  diagramma p-h per il Freon è riportato qui sotto :
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  • Figura 7 :  Diagramma p-h di un ciclo frigorifero
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  •  In questo diagramma l’asse p è in scala logaritmica, inoltre bisogna ricordare che le curve limite sono quelle proprie del Freon F12. Queste sono le uniche informazioni che ho a disposizione, non si conoscono le tabelle, per cui nei problemi pratici l’unica cosa che si può fare è la ricerca di una soluzione grafica direttamente sul diagramma.
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  • A seconda di come una macchina frigorifera viene utilizzata si definiscono due grandezze diverse:
  •  se lo scopo è raffreddare il serbatoio a temperatura inferiore ci interessa il coefficiente di effetto utile frigorifero, che rappresenta il rapporto fra il calore assorbito e il lavoro richiesto dal sistema:
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  •                                                                              (1)                                                        
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  • se la macchina funziona come pompa di calore, prelevando calore da un serbatoio freddo e cedendone una quantità maggiore ad un serbatoio caldo, allora ci interessa il coefficiente di prestazione, che rappresenta il rapporto fra il calore fornito e il lavoro richiesto dal sistema:

 

                                                                               (2)                                                        

 

 

Poiché abbiamo considerato il ciclo come una successione di sistemi aperti si trova che:

                                                        (3)

                                                     (4)       

 

Il calcolo dei coefficienti si riduce quindi al calcolo delle entalpie. Per il 1° Principio della termodinamica è possibile inoltre stabilire una relazione tra hf e COP:

 

                             (5)

 

Questo ci dice che la stessa macchina dal punto di vista termodinamico presenta un maggior rendimento se utilizzata come pompa di calore anziché come frigorifero.

Inoltre il rendimento può essere migliorato rallentando e accelerando la macchina frigorifera nei momenti opportuni, piuttosto che spegnendola e riaccendendola. Questo ultimo metodo può anzi arrecare gravi danni, in quanto se un impianto rimane spento per un periodo prolungato può accadere che dell’acqua si infiltri all’interno del compressore nonostante la presenza di valvole di sicurezza, provocando seri problemi al momento della riattivazione del sistema. E’ per questo motivo che la durata media dei frigoriferi, sempre accesi, si aggira intorno ai 20 anni, mentre i condizionatori dopo 4 o 5 anni di solito devono essere riparati.

 

 

ESEMPIO

 

Una macchina frigorifera utilizza come refrigerante il Freon F12, che fornisce il calore= 200000 frigorie/h. Conoscendo le due temperature Tev=5°C e Tcond=40°C, considerando la compressione isoentropica (s2=s1) e l’espansione isoentalpica (h4=h3), determinare il coefficiente di effetto utile frigorifero, il coefficiente di prestazione, il calore prodotto , il lavoro assorbito   .

Qui sotto sono rappresentati  i dati del problema e il diagramma p-h:

 

 

Trasformazione

Pressione      (BAR)

Temperatura     (°C)

Entalpia specifica (KJ/Kg)

          1

          3,6

          5

      353,6

          2

          9,6

        50

      371,1

          3

          9,6

        40

      238,5

          4

          3,6

          5

      238,5

 

 

Innanzi tutto occorre ricordare che la grandezza   indica un rapporto  fra energia e tempo, quindi ci viene richiesta la potenza meccanica assorbita dalla macchina, così come rappresenta la potenza termica erogata.

Calcoliamo il coefficiente di effetto utile frigorifero:

 

 

Per capire bene il valore di questo risultato dobbiamo confrontarlo con il coefficiente di una macchina frigorifera basata sul ciclo di Carnot inverso, per la quale il coefficiente risulta massimo. In questo caso scegliamo come temperature t1 e t2  i due valori 40°C e 5°C, per cui il coefficiente risulterà :

 

        

 

 

 

Confrontando i due valori notiamo che non c’è una grande differenza, quindi possiamo concludere che l’effetto utile frigorifero della nostra macchina è elevato .

 

Calcoliamo ora il COP :

 

COP =  6,6 + 1 = 7,6

Sapendo poi che       e che    otteniamo una relazione che più genericamente può essere scritta così :

  

 

 

Se adesso convertiamo le unità di misura otteniamo che:  200000 frig/h = 200000 Kcal/h, 1Kcal = 4187 J, 1 h = 3600 s , così sostituendo abbiamo :

 

 

                                                                                                                    

                                                                                                            

 

 

 

 

 

 

 

 

MISCELE DI GAS PERFETTI

 

Iniziamo ricordando il Principio di Avogadro, che dice che una  mole di gas a T=273,15 K, p=1 atm, occupa sempre un volume pari a 22,414 litri. Questa legge rimane valida anche per le miscele di gas perfetti, in quanto si ipotizza che una miscela composta da più gas perfetti rimanga essa stessa perfetta.

Sappiamo già che due gas perfetti differiscono solo per massa molare, quindi quello che ci interessa è ricavare il valore di alcuni parametri della miscela, come:

  (massa molare media), (costante media della miscela),  ,  (calori specifici  medi). Queste sono tutte grandezze medie; esse vengono calcolate facendo una media pesata fra i coefficienti relativi ai singoli gas componenti. Un’altra notazione è questa: , inoltre le unità di misura sono  Kg/Kmol per  e KJ/KgK per gli altri parametri.

La miscela che incontriamo più spesso è l’aria, i cui componenti principali sono ossigeno ed azoto. Supponiamo di avere una massa M1 di O2 e una massa M2 di N2, possiamo ricavare come esempio il valore dei coefficienti :

 

 

                                                           (1)

                                                 (2)

 

                                                           (3)

 

             in cui M3 = M1 +  M2               (4)

 

 

Queste formule possono essere estese al caso generale in cui la miscela sia composta da un numero N di gas perfetti, ed in questo caso verranno sommati al numeratore e al denominatore N contributi .

Supponiamo che in un problema sia scritto :

 

ES : L’aria è composta da 78% di N2 e 22% di O2...

 

Come dobbiamo interpretare questi valori ? Quando si danno le percentuali bisogna sempre specificare quale tipo stiamo considerando:  nel caso precedente abbiamo una percentuale in volume, ma potremmo avere anche percentuali in pressione, massa, moli.

Da notare che le varie percentuali possono essere diverse, come accade per le % in moli (ni / ntot) e in massa (Mi / Mtot), in quanto i gas hanno una diversa massa molare. Consideriamo ora la legge dei gas perfetti  pV=RT, questa può essere scritta anche in questo modo:

                                                                               (5)

in cui      rappresenta la densità del gas.

Rimane da studiare un ultimo caso, quello in cui nel mescolarsi un gas cambia le percentuali iniziali, ossia quando avviene il cosiddetto fenomeno di miscelazione. Questo è sempre un processo irreversibile, così non può essere disegnato sui diagrammi, si  possono conoscere unicamente gli stati iniziali e finali e si troverà che

        .

 

 

ESEMPIO

 

Uno scatolone adiabatico contiene O2 e N2 separati da un setto. Successivamente il setto viene rimosso e i due gas si mescolano producendo aria “sintetica”. Si chiede di determinare la variazione di entropia DS

 

       

Figura 9 :  Il setto viene tolto e i gas si mescolano

 

I dati in nostro possesso sono :

  

      O2

      N2

  V1=0,21 m³

V2=0,79 m³

  T1=20°C

T2=20°C

  P1=1 BAR

P2=1 BAR

 

Facendo considerazioni generali dovremmo trovare che pressione e temperatura siano sempre le stesse, vediamo cosa succede:

 

lo scatolone è adiabatico (Q=0), il lavoro è nullo (L=0) allora dal primo principio della termodinamica

 

DU= Q - L = 0  così si ottiene 

U3 = U1 + U2            dove U3  indica l’energia interna dello stato finale.

 

Da questa ricaviamo che

 

M3Cv’t3 = M1Cv1t1 + M2Cv2t2   e sapendo che

M3 =  M1 +  M2                                             e che

 

           si ottiene

 

t3 = t1  = t2              allora la temperatura non varia.

 

Controlliamo ora la pressione:

Dalla legge dei gas perfetti

 

p1V1 = M1R1T1

p2V2 = M2R2T2

p3V3 = M3R’T3    inoltre avendo

 

V3 = V1 + V2            e

 

     si  può concludere che

 

 p3 = p1 = p2        allora anche la pressione non varia.

 

 

 

 

Il calcolo della variazione di entropia DS non è altrettanto semplice:

 

conoscendo

                                                                                                            

possiamo scrivere:

 

Troviamo ora il valore delle masse:

 

 

Calcoliamo adesso Cp1 e Cp2 :                                                                 

 

partendo da 

   

 e   Cp - Cv = R

 posso scrivere

Cp = 1,4 Cv  = 1,4 (Cp - R)   Allora

Cp(1 - 1,4) = - 1,4 R    così, essendo 

 

KJ/KgK                             

 

 KJ/KgK

trovo che

                                                   

 

 

così  

 

Con calcoli analoghi si ottiene :

 

 

 

Sostituendo tutti i valori ottenuti abbiamo :

 

 

 

Il Cp’ della miscela è   ,così 

Concludendo   DS = 84,379 - 17,68 - 66,70 = 0  !!!

Perché si trova questo valore, dal momento che il processo è irreversibile ?

In questi casi la variazione di entropia va calcolata considerando un gas come se fosse da solo, come se gli altri gas non ci fossero.

Prendiamo ad esempio l’ossigeno:  se all’inizio la sua pressione era P1 = 1 BAR e il suo volume era V1 = 0,21 m³ , alla fine il gas occuperà l’intero volume di 1 m³ con una pressione parziale Po2 = 0,21 BAR. Analogamente per l’azoto si trova una pressione parziale Pn2 = 0,79 BAR. Possiamo adesso calcolare l’entropia dei singoli gas nello stato finale, e questi contributi andranno poi sommati :

 

 

 

L’entropia totale dello stato finale risulta essere S3 » 260 J/K, quindi si troverà :

 

DS  »  260 - 17,68 - 66,7  » 175,6

 

Refrigerazione ciclo frigorifero e climatizzazione

 

  • REFRIGERAZIONE INDUSTRIALE

  • La refrigerazione è il processo finalizzato all'abbassamento della temperatura di un ambiente (una stanza, un vano, l'interno di un contenitore) al di sotto della temperatura ambiente.” Tratto da Wikipedia. La conservazione degli alimenti Gli alimenti per mantenere una medio-lunga conservazione devono essere trattati in vario modo ed a temperature diverse e proprio per questo esistono varie tipi di trattamenti (refrigerazione, congelamento, surgelamento, essiccazione...). La refrigerazione blocca la decomposizione degli alimenti con il passaggio al freddo intenso e permette di conservare intatte le proprietà organolettiche degli alimenti per lungo tempo.

 

  • Funzionamento in pompa di calore
  • Rovesciando il flusso del gas refrigerante all'interno del circuito frigorifero si ottiene una situazione in cui l'evaporatore si trova all'esterno ed il condensatore all'interno. In questo modo si cede calore all'aria interna, riscaldandolo, e si cede freddo all'esterno. L'inversione del ciclo frigorifero richiede l'inserimento nel circuito di una valvola a 4 vie che invia il fluido refrigerante alla batteria interna o a quella esterna (non possono più essere indicate come condensatore ed evaporatore in quanto si scambiano le funzioni) a seconda dell'esigenza di condizionamento o riscaldamento. Quest'ultimo viene definito funzionamento in pompa di calore e risulta utile per ottimizzare l'utilizzo della macchina anche durante il periodo invernale. Un concetto differente è quello relativo al recupero del calore che si genera durante il funzionamento di un impianto di raffreddamento. In questo caso il calore può essere utilizzato per il riscaldamento dell'ambiente contemporaneamente all'attività frigorifera per il raffreddamento di un ambiente diverso. E' questo il caso dei supermercati che nel periodo invernale utilizzano il calore prodotto dal condensatore della centrale frigorifera (incaricata del funzionamento di banchi e espositori refrigerati) per riscaldare l'ambiente in cui circolano le persone.

 

Come funziona un condizionatore.

Funzionamento Il fluido frigorigeno, attraverso un organo di laminazione (valvola di espansione), passa dallo stato liquido saturo a quello di una miscela liquido-vapore. Successivamente la miscela attraversa l’evaporatore, dove assorbe calore a spese di un altro fluido (aria o acqua), che si raffredda e viene fatta circolare nella batteria fredda dell’impianto. Si ha quindi il fluido frigorigeno in uno stato vapore (caldo), e un altro fluido (acqua) che circola nella batteria fredda ad una temperatura in grado di raffreddare l’aria dell’ambiente interno. La terza fase del ciclo vede il vapore entrare nel compressore, subire un aumento di pressione e di temperatura; in queste condizioni attraversa un condensatore, che consente al vapore di cedere il suo calore ad un fluido esterno (acqua o aria), raffreddarsi, e tornare allo stato liquido per poter iniziare di nuovo il ciclo. Funzionamento a pompa di calore Una macchina utilizzata per il raffreddamento di un fluido, può essere utilizzata anche per il suo riscaldamento: è il funzionamento della pompa di calore. Nella pompa di calore, il fluido percorre all’inverso, lo stesso ciclo della macchina frigorifera. Quindi la macchina assorbe calore dall’esterno nell’evaporatore, e nel condensatore cede calore al fluido da riscaldare (aria o acqua). La pompa di calore è caratterizzata da un elevato rendimento, in quanto riesce a fornire più energia di quella che richiede per il suo funzionamento; cioè l’energia fornita sotto forma di calore è maggiore dell’energia assorbita sotto forma elettrica. Unità autonome I condizionatori autonomi in unità compatta sono costituiti da un’unica struttura che comprende il ventilatore di mandata, la batteria di raffreddamento, compressore e condensatore. L’impianto deve essere posizionato in modo da poter prelevare l’aria dall’esterno per raffreddare il condensatore, e contemporaneamente aria dall’interno che deve essere raffreddata. Unità distinte (split) Sono impianti composti da una unità esterna, dove avviene il raffreddamento del fluido nel condensatore con l’aria esterna, e da una unità interna per la climatizzazione dell’ambiente interno. Le due unità sono collegate da tubazioni, attraversate dal fluido frigorigeno, capaci di misurare fino a 50 m di lunghezza e coprire un dislivello di 50 m. Le tubazioni devono essere coibendate accuratamente per evitare la formazione di condensa che potrebbe danneggiare pareti o pavimenti; l’unità esterna deve essere posizionata su una base solida e rialzata qualche centimetro dal terreno; le due unità devono essere posizionate alla minor distanza possibile, in modo da ottimizzare il rendimento della macchina stessa.

 

Funzionamento di un climatizzatore

Nei climatizzatori, la funzione refrigerante è possibile grazie alla circolazione di un gas in un circuito formato da più elementi, in modo analogo a quanto avviene, per esempio, nel frigorifero. In tutti gli apparecchi di ultima generazione vengono utilizzati gas ecologici a basso impatto ambientale, come il refrigerante R-410A. All’inizio del ciclo, il compressore comprime il gas nel condensatore, dove si raffredda e diventa liquido. Attraverso un circuito sigillato, il liquido passa nell’evaporatore, dove si espande e torna ad assumere lo stato gassoso. A questo punto il gas sottrae calore all’ambiente e vi cede aria fresca, distribuita da una ventola. Il gas ritorna quindi al condensatore, dove cede il calore assorbito all’ambiente, che viene espulso sotto forma di condensa. Poi il ciclo ricomincia.Tutti gli apparecchi sono dotati di sistemi filtranti che trattengono le impurità dell’aria e di un sistema di deumidificazione che assorbe l’umidità dall’ambiente.Alcuni apparecchi dispongono anche della funzione di ionizzazione che, generando ioni negativi, ha sull’aria immessa nell’ambiente un effetto purificante. Per riscaldare…. Nei climatizzatori con pompa di calore quando l’apparecchio deve riscaldare anziché raffreddare, viene invertito il ciclo del freddo. La macchina riversa cioè all’esterno il freddo, mentre il calore di conseguenza prodotto viene rilasciato all’interno e utilizzato per riscaldare l’ambiente. Il funzionamento del sistema a pompa di calore diminuisce quindi di efficacia quando le temperature esterne sono più basse.

Condizionatore o climatizzatore?

Primo grande dilemma, quale apparecchio acquistare?Un condizionatore o un climatizzatore? Giustamente qualcuno potrà rispondere: "ma qual’è la differenza?!". Risolviamo il dilemma dicendo che il primo è un apparecchio che si utilizza per raffreddare l’aria e anche, in alcuni casi, per deumidificarla. Invece, il climatizzatore è un dispositivo più completo, pensato per raffreddare, filtrare e deumidificare l’aria. Molti modelli sono dotati anche di pompa di calore, che serve a riscaldare gli ambienti nelle stagioni intermedie. In questa guida ci concentremo nell’analisi dei climatizzatori.

 

Potenza e consumi di un climatizzatore

Ogni climatizzatore è accompagnato per legge da un’etichetta energetica che riporta tutti i dati relativi all’apparecchio e ai suoi consumi. Questi elettrodomestici hanno un elevato assorbimento di energia elettrica, ma nei modelli recenti i consumi sono più contenuti rispetto al passato. Sull’etichetta energetica sono indicati sia la potenza assorbita dal climatizzatore, per il raffreddamento e il riscaldamento, sia la potenza resa, per entrambe le funzioni. Il primo valore si esprime sempre in watt, mentre il secondo può essere indicato in watt o in Btu (British Thermal Unit). Un watt corrisponde a 3,41 Btu. A grandi linee si può dire che il valore della potenza resa da un climatizzatore corrisponde a tre volte circa quello della potenza assorbita. Per il raffreddamento e il riscaldamento viene indicata la classe di efficienza energetica, espressa da una lettera dell’alfabeto: alla A corrispondono i consumi più bassi, alla G quelli più alti.

 

Il condizionatore d'aria è una macchina in grado di sviluppare calore sensibile (positivo o negativo) che viene scambiato con un fluido, il quale messo a sua volta in circolazione cede tale calore ad un ambiente allo scopo di innalzarne o abbassarne la temperatura.

 

Il funzionamento di un condizionatore d'aria si basa sull'utilizzo di un ciclo termodinamico. Il condizionatore è in genere costituito da seguenti elementi essenziali: * il compressore * il condensatore * l'evaporante * l'organo di laminazione. A completare il condizionatore, oltre a queste parti vi è il gas, che ha la funzione di fluido termovettore. I gas più utilizzati nei condizionatori d'aria sono (o sono stati): * R12: condizionatori industriali (ormai fuori legge); * R22: condizionatori civili e terziario (ormai fuori legge); * R407c: condizionatori civili e terziario; * R410a: condizionatori civili e terziario. Vi sono poi una serie di componenti ed accessori che servono a completare il funzionamento del sistema, come ad esempio: valvole, pressostati, ventilatori, telecomando, sonde, schede elettroniche. Negli impieghi civili è comune la configurazione che presenta due unità separate: * un'unità esterna, ospitante il motore del condizionatore caratterizzata dalla ventola radiale * un'unità interna (lo split), che provvede a mettere in circolo l'aria (condizionata o meno), distribuendola nei locali attraverso un'apposita feritoia.

 

 

Normative di riferimento .

Queste macchine rientrano sotto la Legge 10/91 e le relative conseguenze della relazione tecnica prevista da tale legge. Ricadono anche sotto la Legge 46/90 in quanto hanno dei collegamenti elettrici ed utilizzano gas di varie tipologie. Va specificato (per i condizionatori destinati per l'ambiente civile) che ricade solo il collegamento relativo alla potenza elettrica per l'alimentazione del condizionatore con l'impianto elettrico di casa. Il collegamento tra le due macchine (sia idraulico che elettrico) non ricade nella legge perché la normativa europea ritiene l'insieme delle due macchine (interna + esterna) un solo componente quindi come se fosse un solo elettrodomestico. Le norme tecniche di riferimento principali sono: * UNI EN 378-1 : "Impianti di refrigerazione e pompe di calore" - REQUISITI DI SICUREZZA ED AMBIENTALI - Requisiti di base, definizioni, classificazione e criteri di selezione. * UNI EN 378-2 : "Impianti di refrigerazione e pompe di calore" - REQUISITI DI SICUREZZA ED AMBIENTALI - Progettazione, costruzione, prove marcatura e documentazione. * UNI EN 378-3 : "Impianti di refrigerazione e pompe di calore" - REQUISITI DI SICUREZZA ED AMBIENTALI - Installazione in sito e protezione delle persone. * UNI EN 378-4 : "Impianti di refrigerazione e pompe di calore" - REQUISITI DI SICUREZZA ED AMBIENTALI - Esercizio, manutenzione, riparazione e utilizzo. * CEI norma 64-8/7 (Impianti elettrici utilizzatori a tensione nominale non superiore a 1000 V ca e a 1500 V cc - Ambienti ed applicazioni particolari)

 

  • I CONDIZIONATORI DELL’ARIA: raffrescatori e pompe di calore I condizionatori dell’aria si dividono in due grandi famiglie: > pompe di calore > raffrescatori Le pompe di calore sono quegli apparecchi in grado sia di riscaldare che di raffrescare un ambiente. Mentre i raffrescatori, come dice la parola stessa, sono apparecchi che raffrescano il locale dove vengono installati. Entrambi vengono comunemente chiamati “condizionatori”. I condizionatori si differenziano anche per il principio di funzionamento: > ad assorbimento > a compressione Attualmente i condizionatori ad assorbimento, di cui non tratteremo, si trovano in commercio solo di media e grande taglia, adatti cioè a condizionare l’aria di locali di grandi dimensioni come ristoranti, fabbriche e centri commerciali. Mentre i condizionatori a compressione sono quelli che più comunemente troviamo in commercio e che installiamo nelle nostre case.

 

  • Come funziona un condizionatore a compressione Il principio di funzionamento di un condizionatore è lo stesso di quell’elettrodomestico che si trova in tutte le nostre case: il frigorifero. Sfruttando le proprietà che hanno particolari gas si riesce ad asportare calore da un ambiente, la cella frigorifera o la nostra camera da letto, per cederlo ad un altro ambiente; nel caso del frigorifero il calore è ceduto alla cucina e nel caso del condizionatore all’ambiente esterno.
  • Il condizionatore è costituito da due parti collegate tra loro da tubi di rame, dove circola un fluido refrigerante, e da cavi elettrici. La parte che “cede il freddo” è costituita da uno scambiatore di calore, l’evaporatore, e da un ventilatore. La parte che “genera il freddo” è costituita da un compressore, uno scambiatore di calore, il condensatore, e un ventilatore. Il compressore (A) comprime il fluido refrigerante a circa 20bar (che è una pressione dieci volte superiore a quella dei pneumatici delle automobili) e gli fa raggiungere la temperatura di circa 80°C. A questa temperatura il gas arriva al condensatore esterno (B) e cede parte del suo calore all’aria aiutato dal ventilatore. Il gas, quindi, si raffredda e diventa liquido e viene costretto a passare attraverso un piccolo foro (C). Attraversato questo foro il liquido ritorna in parte allo stato gassoso e si raffredda scendendo a circa 5°C. Il gas passa poi all’evaporatore (D) posto all’interno dell’ambiente e aiutato dal suo ventilatore cede il freddo all’aria. A questo punto il gas tornerà al compressore pronto a iniziare un nuovo ciclo

 

LA TECNOLOGIA INVERTER L’inverter è in dispositivo elettronico di cui sono dotati alcuni condizionatori. Questo dispositivo permette di modulare la potenza erogata dalla macchina in maniera proporzionale alla effettiva richiesta di “freddo” o di “caldo”. Quando nell’ambiente si è raggiunta la temperatura impostata, entra in funzione l’inverter che anziché spegnere la macchina ne riduce la potenza diminuendo il numero di giri del compressore. In questo modo vengono eliminati i continui “attacca e stacca” del motore riuscendo a mantenere costante la temperatura dell’ambiente che così varierà solo di circa 0,5°C rispetto a quella impostata, contro i 2°C dei classici condizionatori on/off. Rispetto a un normale condizionatore, che supponiamo in funzione per otto ore al giorno, il condizionatore dotato di inverter consuma circa il 30% di energia elettrica in meno. In alcuni condizionatori dotati di tecnologia inverter troviamo le sigle DC, PAM, e PWM che stanno a significare: DC Direct Current Il climatizzatore funziona completamente a corrente continua. Questo fa sì che l’unità interna sia più silenziosa ed efficiente. PAM Pulse Amplitude Modulation È una funzione che fa sì che la variazione della potenza avvenga velocemente. Consente di raggiungere la temperatura impostata rapidamente. PWM Pulse With Modulation È una funzione che interviene dopo la PAM e mantiene la temperatura impostata facendo funzionare il compressore alla minima velocità possibile e in maniera costante. 6 ALTRE FUNZIONI DEI CONDIZIONATORI I condizionatori non solo rinfrescano, ma anche deumidificano e purificano l’ambiente. LA DEUMIDIFICAZIONE Come è noto la sensazione di disagio che proviamo in una calda giornata estiva è dovuta soprattutto al tasso di umidità che limita la traspirazione della pelle. Il condizionatore svolge anche un’azione di deumidificazione dell’aria. Infatti, quando l’aria passa attraverso lo scambiatore per raffreddarsi, l’umidità in essa contenuta si deposita sotto forma di goccioline di condensa. Queste goccioline cadono nella vaschetta dello scarico della condensa e l’acqua così raccolta viene allontanata dal locale attraverso un tubo, mentre l’aria esce dallo scambiatore ben asciutta.

 

Refrigerazione ciclo frigorifero e climatizzazione

 

Il frigorifero basa il proprio funzionamento su due specifiche leggi fisiche. La prima legge prevede che evaporando, un liquido sottrae energia all’ambiente che lo circonda sotto forma di calore. E’ necessaria poi altra energia (calore) per conservare il mutamento, che ha portato la sostanza dallo stato liquido a quello gassoso. La seconda proprietà fisica ci ricorda che un liquido può evaporare a una temperatura più bassa rispetto al normale se l’ambiente in cui si trova subisce un calo di pressione. Tutti i liquidi in grado di evaporare facilmente a basse temperature sono dei possibili refrigeranti. Variando la pressione nei tubi in cui circola, è possibile liquefare o far evaporare la sostanza prescelta come refrigerante. Schema semplificato del funzionamento di un frigorifero [credit: Cattolica.info]Nell’intercapedine tra la camera di refrigerazione, quella in cui mettiamo i cibi, e il suo “guscio”, il frigorifero è percorso da numerosi tubi contenenti il refrigerante a bassissima pressione. Ciò consente al liquido di evaporare molto facilmente, anche a basse temperature. Evaporando, il refrigerante mantiene freddi i tubi che avvolgono la camera di refrigerazione, consentendo ai cibi di restare al fresco. Un motore elettrico aspira poi il gas freddo dall’interno dei tubi, lo comprime in modo che si riscaldi e lo fa poi defluire in un’altra serie di tubi posti all’esterno del frigorifero (generalmente è un griglia posta sul retro del frigo). L’aria a contatto con i tubi ne disperde il calore, determinando la condensazione del refrigerante che dallo stato gassoso ritorna a quello liquido. A questo punto il refrigerante defluisce in un tubicino molto stretto, chiamato tubo capillare, che si allarga progressivamente in corrispondenza della camera di refrigerazione. La maggiore larghezza del tubo comporta un abbassamento di pressione. Il liquido evapora nuovamente raffreddandosi e il ciclo può ricominciare.

 

COMPRESSORE Il compressore è il cuore del sistema e la sua funzione è quella di comprimere il fluido refrigerante e portarlo ad alta pressione riscaldandolo. In genere si tratta di un compressore come quello che tutti conosciamo per comprimere l’aria, che cioè usa un pistone mosso da alberi a gomiti per effettuare un moto alternativo in due fasi, aspirazione e compressione. Da qualche tempo hanno cominciato a diffondersi anche compressori di tipo rotativo a palette o Sroli in cui il meccanismo mediante il quale si ottiene la compressione è diverso ma identica la funzione. IL grande vantaggio dei compressori rotativi rispetto a quelle tradizionali è la assenza di movimenti alternativi e quindi di vibrazioni; dunque silenziosità ed assenza di vibrazioni sono le caratteristiche vincenti di questi compressori per cui il loro uso si sta diffondendo enormemente. Vediamo ora quello che succede all’interno del compressore nel suo funzionamento e quali sono le sue particolarità. -Questo meccanismo è nato per comprimere dei gas e quindi non può assolutamente tollerare che vi sia del liquido (i liquidi sono notoriamente incomprimibili) pena la rottura. -E’ necessario che vi sia una lubrificazione e quindi dell’olio lubrificante deve essere presente in quantità opportuna. -Di qualsiasi tipo sia il compressore rotativo o alternativo, nel suo funzionamento espelle piccole quantità di olio insieme al gas compresso, pertanto si ha un impoverimento continuo della quantità di lubrificante presente; se questo non viene recuperato in qualche modo si arriva presto alla impossibilità di lubrificazione e fatalmente al grippaggio del compressore. -Il gas, nella compressione, si riscalda tanto di più quanto più è il rapporto di compressione, cioè il rapporto tra la pressione del gas in uscita e quello in entrata (in questo caso tipicamente siamo sul 4:1 cioè 15 bar in uscita e 4 in entrata) fino a temperature di 100°C avendo in ingresso non più di 7-10°C. Si vedrà che questo rapporto di compressione non è fisso ma può variare al cambiare di altri parametri di funzionamento di conseguenza può accadere che si vada a rapporti di compressione talmente alti da far raggiungere al gas temperature di scarico superiori a 130°C con inconvenienti all’olio che vedremo più avanti e soprattutto con un assorbimento di potenza dal motore elettrico che muove il compressore superiore alla potenza erogabile; conseguenza finale, bruciatura degli avvolgimenti del motore. In breve le condizioni del gas all’aspirazione del compressore sono all’incirca: temperatura7-8°C, pressione 4-5bar;; le condizioni dello scarico sono: temperatura 100-110°C, pressione 15-18bar. Si è visto in precedenza che l’olio ha una funzione importantissima per il compressore e le sue particolari caratteristiche che lo rendono adatto al circuito frigorifero sono: -Deve rimanere fluido anche a bassissime temperature (es. -40°C) -Deve resistere fino a temperature di 120-130°C senza alterazioni. -Deve essere miscibile con il liquido refrigerante in fese liquida e non deve reagire con esso. -Non deve essere aggressivo con i materiali normalmente usati per la costruzione dei circuiti quali rame. Alluminio ecc. -Deve essere elettricamente isolante poiché viene in contatto con gli avvolgimenti elettrici del motore. -Non deve essere tossico o nocivo alle persone che casualmente vengono a contatto con esso. Quindi è richieste una gamma di prestazioni molto ampia che un normale olio lubrificante da motore o per uso automobilistico non avrà mai; infatti questi oli sono veramente speciali e non devono in alcun modo essere miscelati con lubrificanti di altro tipo. CONDENSATORE Il condensatore è uno scambiatore di calore, ed è costruito in modo che vi sia il miglior scambio di calore tra l’interno e l’esterno o meglio tra il fluido che scorre all’interno e quello che scorre all’esterno (aria). All’interno di questo apparecchio avviene un cambiamento di stato come quello di cui si è parlato in precedenza e più precisamente in refrigerante, nel nostro caso R22, allo stato gassoso cede calore all’esterno, quindi si raffredda riscaldando il fluido che c’è dall’altra parte (aria) fino al punto in cui inizia la sua trasformazione il liquido e continua a cedere calore calore all’esterno fino a quando questo processo non si è compiuto. Naturalmente se per una qualsiasi ragione il fluido esterno non è più in grado di ricevere calore il processo si arresta immediatamente(per esempio se si ferma il ventilatore che fa passare aria nello scambiatore). In questo apparecchio dunque entra refrigerante ad alta temperatura (più di 100°C) ed alta pressione ed esce refrigerante liquido a media temperatura (mediamente circa 40°C) ed alta pressione (circa 15atm). Questo apparecchio è concettualmente identico al condensatore e con funzione esattamente simmetrica; qui infatti il liquido compie la trasformazione inversa, cioè passa da liquido a vapore assorbendo calore dall’esterno e raffreddando il fluido che passa dall’altra parte della parete (aria). Anche qui il funzionamento si arresta se viene meno la capacità del fluido esterno di cedere calore per esempio perché cessa il suo passaggio attraverso l’apparecchio. Qui il refrigerante entra a bassa pressione e bassa temperatura allo stato liquido ed esce a bassa pressione (circo 4atm), bassa temperatura (+2°C) ma allo stato gassoso. ORGANO DI LAMINAZIONE Concettualmente possiamo pensare ad in rubinetto con un passaggio molto stretto attraverso cui il refrigerante liquido schizza nella sezione del circuito a bassa pressione; il foro è fatto in modo da mantenere le giuste pressioni a valle e a monte permettendo il passaggio della giusta quantità di liquido. E’ solitamente collocato nell’unità esterna.

FUNZIONAMENTO Il funzionamento del circuito frigorifero è semplice dal punto di vista concettuale ma lo è molto di meno nella pratica perciò quello che segue è una descrizione a grandi linee di quello che avviene in un climatizzatore e non ha la pretesa di essere ne precisa ne esauriente. Il compressore comprime il refrigerante gassoso a bassa temperatura e pressione (es. +5°C, 4bar) e lo porta , sempre come gas ad una alta temperatura e pressione (es. 16bar, 100°C). Da questo punto il gas viene inviato al condensatore tramite delle tubazioni di rame ed in questo apparecchio avviene prima il raffreddamento fino a circa 40°C e poi il cambiamento di stato da gas a liquido a spese dell’aria esterna che viene riscaldata. In questa fase viene ceduto il calore latente di condensazione ad un fluido esterno più freddo; arie nel nostro caso. Dopo il condensatore il refrigerante, ormai liquido, ma sempre ad alta pressione, passa attraverso l’organo di laminazione, che nel nostro caso è un capillare o un Accurater passando in questo modo da alta (15 bar) a bassa pressione (4 bar) ma sempre allo stato liquido. Il liquido a bassa pressione e bassa temperatura (4bar, +2°C) asce dall’unità motocondensante e viene portato, tramite le tubazioni di collegamento all’unità interna dove è posto l’evaporatore. In questo evaporatore avviene il fenomeno della evaporazione a bassa pressione e bassa temperatura (poco meno di 4bar -+2°C), per passare allo stato di vapore il liquido bolle assorbendo calore, e quindi raffreddando il fluido con cui viene messo a contatto attraverso le pareti dello scambiatore (evaporatore) e cioè l’aria della stanza che viene in questo modo raffreddata. Il refrigerante deve completamente trasformarsi in gas in questo evaporatore e pio, attraverso la tubazioni di collegamento, percorse questa volta in senso contrario, torna al compressore; è immediato pensare che se tornasse del liquido al compressore avremmo un immediata rottura dello stesso. In pratica del calore viene assorbito dal refrigerante che raffredda l’aria interna evaporando a bassa pressione e bassa temperatura; il refrigerante pio spinto dal compressore nel condensatore cede il calore all’aria esterna. Volendo fare un paragone si potrebbe assimilare il sistema ad una pompa che aspira acqua dalla cantina e la riversa al primo piano, in cui la resa del climatizzatore è in finzione della temperatura esterna ed interna. Volendo fare un paragone si potrebbe assimilare il sistema ad una pompa che aspira acqua a basso livello (per es. da una cantina) e la riversa ad un livello più alto (per es. al primo piano). In un impianto di questo tipo la portata della pompa (a parità di potenza) dipende dalla prevalenza del circuito, cioè dalla somma delle perdite di carico e dalla differenza di livello tra aspirazione e mandata; per eempio più alto è il livello a cui l’acqua deve essere mandate e più bassa è la portata. Un circuito frigorifero funziona in modo analogo, infatti aspira calore a bassa temperatura (basso livello energetico) e la restituisce ad alta temperatura (livello energetico maggiore) tanto più grande è la differenza tra i due livelli, tanto minore è la “portata” cioè la quantità di calore aspirata in bassa temperatura e restituita all’aria. Si può ora parlare del coefficiente di rese EER (energy-efficiency-ratio) intendendolo come effetto raffreddante ottenuto su energia consumata, (Frig/KW) e notare come questo coefficiente dipenda proprio dallo coppia delle temperature scelte, e quindi la comparazione tra due coefficienti possa essere fatta solo dopo aver assodato che le condizioni di riferimento sono identiche. La stessa macchine rende 3000 Frig/h se ci poniamo nelle condizioni previste dalle Norma ISO, e 3500 in altre condizioni. Se si rovescia ipoteticamente il climatizzatore e cioè si pone l’evaporatore all’esterno ed il condensatore all’interno, si ha un effetto raffreddante fuori ed riscaldante all’esterno, giusto quello che fa comodo in inverno. (In realtà non si smonta il condizionatore e si rimonta al rovescio, ma con una valvola a 4 vie si invertono i flussi del refrigerante). Questa è la ragione per cui si parla anche di pompe di calore riferendosi a climatizzatori che sono in grado, nella stagione invernale di prendere una certa quantità di colore dall’aria esterna a bassa temperatura e cederla all’aria intera ad alta temperatura.

 

 

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Refrigerazione ciclo frigorifero e climatizzazione