CENTRO STUDI GALILEO
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IL COMPRESSORE
Seconda Lezione
Generalita'
Abbiamo accennato alle trasformazioni termodinamiche subite dal fluido frigorigeno durante il passaggio attraverso i componenti principali della macchina frigorifera a compressione di vapori saturi. Passiamo ora alla descrizione dei vari componenti cominciando dal compressore che rappresenta l'elemento meccanico piu' complesso di tutto l'impianto. Esso l'elemento propulsore dell'impianto frigorifero perche' fornisce il lavoro necessario per realizzare il ciclo termodinamico. La sua funzione quella di portare il fluido frigorigeno vaporizzato dalla pressione dell'evaporatore (bassa pressione) alla pressione del condensatore (alta pressione) alla quale corrisponde una temperatura di condensazione compatibile con quella del fluido raffreddante (aria o acqua) di cui si dispone per ricondurre il fluido frigorigeno allo stato liquido. Attualmente si producono diversi tipi di compressori, la cui classificazione puo' essere eseguita in base alle modalita' di funzionamento. La pressione del fluido frigorigeno puo' essere innalzata costringendolo in un volume via via piu' piccolo: questo avviene nei compressori volumetrici. Un'altra categoria quella dei compressori centrifughi. In questi viene prima fornita energia cinetica al fluido mediante aumento della velocita' con conseguente innalzamento della pressione dinamica. Nella successiva zona del compressore avviene una diminuzione della velocita' con conseguente trasformazione di pressione dinamica in pressione statica. I compressori volumetrici possono essere ancora classificati in funzione del tipo di moto dell'elemento mobile che comprime il fluido: si hanno pertanto i compressori alternativi (a pistoni) e quelli rotativi che possono avere uno o due assi di rotazione. I compressori rotativi ad un asse sono i compressori a pistone rotante, a palette, a spirale orbitante (scroll), monovite. I compressori alternativi a due assi sono i compressori a viti. I compressori alternativi, a causa dell'alternanza delle fasi di lavoro nel cilindro lavorante, sono caratterizzati da un flusso di fluido compresso pulsante. Ci non avviene mai con i compressori volumetrici rotativi, i quali forniscono un flusso continuo di fluido compresso. Nella tabella 1 viene fornita la classificazione dei compressori impiegati nella tecnica del freddo.
Compressori alternativi
Il compressore alternativo costituito essenzialmente da un cilindro entro il quale scorre, dotato di moto alterno, un pistone. Il cilindro chiuso nella parte superiore da una piastra ove sono ricavate due aperture dotate di valvole. Esse consentono di collegare il cilindro alternativamente, tramite il condotto d'aspirazione, con l'evaporatore e, tramite il condotto di mandata, con il condensatore. Mediante un meccanismo di biella e manovella, il pistone collegato all'albero di manovella che ha la funzione di trasformare in modo alternativo il moto rotatorio del motore primo al quale esso collegato (in genere motore elettrico).
In figura 1 viene mostrato il funzionamento del compressore alternativo.
In figura 2 viene mostrato il ciclo di lavoro in un diagramma in cui sono riportate le pressioni dentro il cilindro in funzione dei volumi occupati dal fluido di lavoro.
I componenti principali di un compressore alternativo sono pertanto:
Il cilindro viene ottenuto solitamente mediante alesatura e successiva rettifica da un elemento di fusione comprendente carter e blocco cilindri. Nei compressori d'elevata potenza il blocco cilindri puo' essere separato dal carter; le due parti vengono poi assemblate mediante bulloni per costituire il corpo compressore. Il materiale adoperato per questi componenti, compresa la testata di chiusura del cilindro, la ghisa perlitica a grana fine. La cavita' cilindrica alesata e rettificata per ottenere una superficie perfettamente liscia. Nei compressori d'elevata potenza, i cilindri sono provvisti di camicie in materiale molto resistente all'usura. La piastra che chiude superiormente il cilindro dotata delle luci di passaggio del fluido sulle quali sono montate le valvole d'aspirazione e di mandata. Esse si aprono e si chiudono a causa della differenza di pressione senza alcun sistema di comando e sono costituite, nei piccoli compressori, da lamelle flessibili in acciaio temperato (fig. 3).
In posizione di riposo, a causa della loro elasticit, aderiscono alle loro sedi, costituite da un piano rettificato nel quale si aprono i fori di comunicazione fra i condotti ed il cilindro. L'apertura delle luci di passaggio avviene allorch, sotto la pressione del fluido di lavoro, le valvole si staccano dalle loro sedi, consentendo al fluido di entrare ed uscire dal cilindro di lavoro. Oltre alle valvole a lamella flessibile, vincolate ad una o ad entrambe le estremit, si hanno le valvole a disco, esse vengono adoperate nei grossi compressori e sono costituite da un disco a forma di corona circolare che chiude le luci di passaggio. In quest'ultimo caso l'apertura avviene mediante l'alzata del disco che vince la resistenza di una serie di molle opportunamente disposte che, in condizioni di riposo, lo fanno aderire alla sua sede. Il pistone deve potersi accoppiare perfettamente con le pareti interne del cilindro, sulle quali esso scorre mediante l'interposizione di un velo d'olio lubrificante. Esso viene realizzato in materiale leggero (leghe d'alluminio) per consentire elevate velocita' lineari e quindi alti regimi di rotazione. La tenuta fra pistone e cilindro assicurata, nei piccoli compressori, da scanalature ricavate sulla superficie liscia di contatto con il cilindro che creano un effetto labirinto. Nei grossi compressori, i pistoni sono dotati di scanalature entro le quali vengono alloggiati anelli elastici in acciaio temperato (segmenti) che si adattano perfettamente alle pareti del cilindro compensando il gioco necessario fra pistone e cilindro. L'albero a manovella ha la funzione di trasformare il moto rotatorio eccentrico della manovella nel moto alternativo del pistone. Esso viene realizzato in acciaio al carbonio forgiato ed sottoposto a particolari trattamenti termici d'indurimento sui perni che sono successivamente rettificati. La biella costituisce l'elemento di collegamento del pistone con l'albero di manovella. Viene realizzata in modo da assicurare la massima rigidita' flessionale con un peso molto ridotto. Nei piccoli compressori vengono impiegate bielle in ghisa o in leghe leggere pressofuse; nei grossi compressori si adoperano bielle in acciaio stampato a caldo, in acciaio forgiato o in leghe leggere pressofuse. Il compressore, in quanto macchina operatrice, deve essere trascinato da una macchina motrice che nella generalita' dei casi un motore elettrico. Il dispositivo di trascinamento puo' essere realizzato mediante puleggia e cinghia di trasmissione (trascinamento indiretto) oppure mediante accoppiamento diretto interponendo un giunto d'accoppiamento fra l'albero del motore elettrico e l'albero a manovella del compressore che gira alla stessa velocita' del motore primo. Tale sistema si adopera per le grosse macchine; nel caso delle piccole unita' di lavoro, la macchina motrice calettata direttamente sull'albero del compressore. Tutti i compressori nei quali l'estremit dell'albero esce dal carter per accoppiarsi con il motore elettrico sono compressori aperti. In tal caso adeguata cura bisogna porre nella realizzazione del dispositivo di tenuta al fine di evitare fughe di fluido frigorigeno attraverso l'estremit dell'albero che esce dal carter.
Quando si attua l'accoppiamento diretto fra compressore e motore elettrico, possibile racchiudere in un unico involucro entrambi gli elementi. Allorche' quest'involucro diviso in due parti, imbullonate fra loro, in modo da poter aprire l'involucro in caso di necessit, il gruppo del tipo semiermetico.
Nel caso in cui l'involucro realizzato in modo tale da racchiudere tutti i componenti in un contenitore sigillato, la cui apertura porta alla sua distruzione, il gruppo del tipo ermetico.
I compressori ermetici (fig. 4) hanno permesso la grande diffusione dei frigoriferi domestici, dei piccoli gruppi autonomi di climatizzazione, dei congelatori costruiti annualmente in milioni d'esemplari. La loro realizzazione ha permesso di superare i tradizionali punti deboli dei compressori frigoriferi costituiti dalle fughe di fluido frigorigeno e dalle perdite di lubrificante attraverso il premistoppa.
L'assenza di manutenzione del compressore e del motore elettrico, grazie alla efficace protezione dalla polvere e dagli agenti esterni, l'adeguato raffreddamento e l'appropriata lubrificazione in ogni condizione di funzionamento, fanno del compressore ermetico una macchina affidata a se stessa, con una carica iniziale di fluido frigorigeno e di lubrificante destinata a durare indefinitamente.
I compressori alternativi trovano un vastissimo impiego e vengono prodotti in una gamma di potenze frigorifere molto ampia (da qualche centinaio di W a svariate centinaia di kW). Non sono adatti a lavorare con elevati rapporti di compressione in un unico stadio, specie se il fluido di lavoro ha una piccola massa molare (ammoniaca).
Compressori rotativi
I compressori rotativi sono macchine volumetriche in cui la compressione del volume di fluido aspirato viene eseguita da un organo dotato di moto rotatorio. A seconda del numero di celle entro le quali avviene il processo di compressione si distinguono i compressori monocellulari ed i compressori multicellulari.
I compressori monocellulari comprendono i compressori a pistone scorrevole ed a pistone rotante. I compressori a pistone scorrevole sono costituiti da un albero cilindrico coassiale con lo statore, ma montato su un eccentrico circondato da un anello cilindrico. Nel moto di rotazione, l'albero fa muovere l'anello cilindrico che comincia a scorrere dentro lo statore (fig. 5). La paletta scorrevole, spinta sull'anello cilindrico dalla molla, determina due capacita' comprese fra lo statore e l'anello cilindrico, i cui volumi variano durante la rotazione dell'albero. Nello statore sono ricavate le luci d'aspirazione e di mandata.
I compressori a pistone scorrevole possono essere a paletta libera (fig. 5), a paletta oscillante (fig. 6), a paletta solidale (fig. 7).
Nei compressori a pistone rotante (fig. 8), la paletta scorre liberamente all'interno di una scanalatura ricavata nel rotore, aderendo costantemente, durante il funzionamento, allo statore (fig. 9).
Tutti i compressori volumetrici rotativi sopra descritti presentano una coppia cinematica di strisciamento e pertanto devono essere abbondantemente lubrificati. La lubrificazione molto importante anche per migliorare la tenuta fra cilindro rotante ed organi di tenuta fra zona d'aspirazione e zona di compressione.
Per aumentare, a parit di dimensioni, la capacita' di comprimere grandi quantita' di gas, sono stati realizzati compressori multicellulari ovvero a palette multiple (fig. 10). L'aumento del numero di palette (fino a dieci) ha permesso di ridurre l'eccentricita' del rotore rispetto allo statore e quindi gli effetti della forza centrifuga durante il funzionamento.
I compressori volumetrici rotativi non dispongono di valvole d'aspirazione. Le valvole di mandata sono necessarie nei compressori monocellulari. In quelli a compressione multipla non vengono montate valvole di mandata. In questo caso necessario prevedere una valvola di ritegno sulla linea di mandata in quanto, altrimenti, all'arresto del compressore, il fluido frigorigeno defluirebbe dalla zona d'alta pressione verso il compressore.
Gli elementi costitutivi dei compressori volumetrici rotativi sono:
Lo statore, di facile lavorazione, viene realizzato in ghisa perlitica a grana fine perfettamente stagna al fluido frigorigeno da impiegare. Il rotore viene realizzato anch'esso in ghisa perlitica oppure in acciaio forgiato. Le palette possono essere in acciaio laminato, in leghe leggere, in materiale plastico o in fibra di carbonio. L'albero realizzato generalmente in acciaio al nichel-cromo con successivo trattamento a rettifica. Le piastre laterali chiudono il corpo compressore, portano le sedi per gli alloggiamenti dei cuscinetti e vengono fabbricate in ghisa perlitica a grana fine. Il trascinamento di questi compressori sempre del tipo diretto e viene realizzato mediante un manicotto d'accoppiamento fra l'albero del compressore e l'albero del motore elettrico. Nelle applicazioni di tipo ermetico o semiermetico, il rotore del motore elettrico calettato direttamente sull'albero del compressore. I compressori rotativi volumetrici si prestano molto bene nella compressione d'elevate portate di fluido con rapporti di compressione non eccessivi (0,5 4 bar).
Compressori a viti
Queste macchine sono nate originariamente (1930) per la compressione dell'aria. Solo in un secondo tempo hanno trovato applicazione nella tecnica frigorifera per la compressione del fluido di lavoro. Oggi, in virt delle loro eccellenti qualit, vengono utilizzati in un vastissimo campo d'impieghi che vanno dalla refrigerazione industriale, alla climatizzazione, alle pompe di calore.
I compressori a viti sono realizzati mediante due rotori elicoidali controrotanti (viti) lavorati con estrema precisione, racchiusi all'interno di un involucro. Uno dei due rotori riceve il movimento, trascinando l'altro; durante la rotazione il profilo coniugato dei due elementi agisce in modo da ridurre progressivamente il volume di fluido, aspirato ad ogni giro da un'estremit, che viene scaricato, gia' compresso, dall'altra estremit.
In figura 11 viene mostrato il principio di funzionamento del compressore a viti. Durante la rotazione dei rotori, il fluido viene aspirato attraverso la luce d'immissione riempiendo il volume compreso fra due lobi. Esso aumenta con la rotazione fino allo sviluppo completo. Allorche' gli spazi interlobari sono pieni di fluido, cessa l'immissione e quindi la fase d'aspirazione. Il fluido racchiuso fra i lobi, durante la rotazione, viene costretto in uno spazio sempre piu' piccolo causando l'innalzamento della pressione. Allorche' i rotori raggiungono una determinata posizione, il fluido compresso viene messo in comunicazione con la luce di scarico ed inizia la fase di mandata che cessa con la sua completa espulsione. Questi compressori necessitano di una abbondante lubrificazione a causa dell'azione di trascinamento di un rotore da parte dell'altro. L'olio, oltre ad assicurare la trasmissione del moto, consente una migliore tenuta durante la compressione grazie al velo d'olio che si forma sui profili dei rotori e fra i rotori e l'involucro del compressore. L'abbondante lubrificazione ed il successivo raffreddamento dell'olio mediante un apposito scambiatore di calore, rendono queste macchine particolarmente adatte a lavorare con rapporti di compressione piu' elevati di quelli dei compressori alternativi. Inoltre, mediante un'apposita valvola a cassetto scorrevole che apre una luce di comunicazione fra la zona d'aspirazione e l'involucro del compressore in una posizione in cui i due rotori hanno gia' parzialmente compresso il fluido, rende possibile la riduzione continua della portata frigorifera che puo' cosi' essere variata fino al 10% di quella massima.
Una variante del compressore a viti costituita dal compressore monovite. Esso costituito da un rotore a forma di vite globoidale e da due pignoni satelliti in posizione opposta con gli assi di rotazione situati in un piano perpendicolare a quello dell'asse del rotore (fig. 12). Il rotore ed i pignoni sono sistemati dentro un carter a perfetta tenuta. Il rotore si muove dentro un corpo cilindrico ricavato nel carter; nel corpo cilindrico sono realizzati due tagli che permettono ai pignoni di poter ruotare trascinati in rotazione dal rotore stesso con il quale essi si impegnano. In figura 13 viene mostrato il principio di funzionamento di un compressore monovite. Il fluido riempie le scanalature del rotore prima che esse si impegnino con i denti del satellite. Continuando la rotazione, il fluido viene prima imprigionato nel volume compreso fra le scanalature del rotore, il carter ed i denti del satellite e poi costretto in un volume sempre minore. Quando la compressione ha raggiunto il massimo valore, si apre la luce di scarico e tutto il fluido compresso nelle scanalature del rotore viene espulso.
Compressori a spirale orbitante
I compressori a spirale orbitante (scroll) impiegano due spirali, una fissa ed una mobile, per la compressione del fluido. Essi sono costituiti da cinque componenti principali: una spirale fissa, una spirale mobile, un anello d'accoppiamento, un albero a gomito ed un involucro che contiene tutti questi elementi. Le spirali sono sistemate l'una dentro l'altra in modo tale da essere a contatto fra loro in diversi punti e formare durante il moto una serie di sacche a forma di falce fra i due elementi. Il profilo delle due spirali ad evolvente; ci consente alla spirale mobile di orbitare senza attrito sulla spirale fissa. Durante la compressione, la spirale mobile, mossa dall'albero a gomito, orbita attorno alla spirale fissa; le sacche tra le due spirali vengono spinte verso il centro delle due spirali e nel contempo il loro volume si va riducendo. Quando la sacca raggiunge il centro della spirale, il fluido costretto in un piccolo volume, ha acquistato la pressione necessaria per essere scaricato attraverso la luce centrale. Durante il processo di compressione, viene compresso simultaneamente il fluido contenuto in molte sacche dando luogo alla fine ad un processo abbastanza uniforme. La figura 14 mostra la sequenza delle fasi d'aspirazione, compressione, mandata; allorche' la spirale mobile compie la prima orbita, essa si sposta verso il basso, si aprono due spazi che poi si richiudono imprigionando il fluido frigorigeno. Durante la seconda orbita, il movimento della spirale trascina il fluido verso la parte centrale; al completamento della seconda orbita il volume si riduce al minimo e si raggiunge la massima compressione. Durante la terza orbita, il fluido compresso viene spinto verso la luce di mandata, situata al centro della spirale fissa. I compressori scroll trovano impiego negli impianti di condizionamento sia residenziali sia commerciali, negli impianti a pompa di calore e negli impianti installati sulle autovetture. La potenza varia da 3 a 50 KW. Il compressore scroll viene realizzato in versione ermetica. Il rotore del motore elettrico calettato sull'albero a gomito del compressore.
In figura 15 viene riportata la sezione di un compressore ermetico a spirale orbitante con i componenti principali. Fra i vantaggi di questo tipo di compressori si possono ricordare l'ingombro ed il peso notevolmente inferiori rispetto al compressore alternativo di pari potenzialit, l'elevato rendimento, il basso livello di rumore, le ridotte vibrazioni e l'elevata affidabilit. La potenza del compressore viene modulata mediante un inverter che controlla la velocita' di rotazione del motore elettrico.
Compressori centrifughi
I compressori centrifughi sono costituiti da un corpo in ghisa sferoidale a grana fine, un albero in acciaio trattato ed una girante realizzata per fusione in lega di alluminio. Il fluido viene aspirato dalla girante in prossimit del proprio asse e per effetto della forza centrifuga viene spinto, durante la rotazione, verso la periferia del corpo compressore. Il fluido esce dalla girante a notevole velocit; l'energia cinetica da esso acquistata nel passaggio attraverso la girante viene poi trasformata nel diffusore della macchina in energia di pressione. La girante ruota dentro il corpo compressore senza attriti e non necessario pertanto lubrificare la zona attraversata dal fluido da comprimere. Le velocita' di rotazione possono variare da 3.000 a 25.000 giri/min; necessario pertanto che l'accoppiamento con il motore elettrico avvenga, quasi sempre, attraverso un moltiplicatore di giri. In figura 16 viene mostrata la sezione di un compressore centrifugo a due stadi semiermetico accoppiato con il motore elettrico. La potenza viene variata mediante l'impiego di alette di prerotazione che modificano l'angolo di ingresso del fluido nella girante. Tale sistema consente di variare la potenza frigorifera dal 5% al 100% del suo valore nominale. I compressori centrifughi trovano larga applicazione nei grossi impianti di climatizzazione ove necessario comprimere elevate portate di fluido con rapporti di compressione contenuti.