Fig. 3 Comparazione in termini relativi delle portate di massa e delle densita' del vapore dei refrigeranti.3. Passi per lo sviluppo di efficienti compressori a vite per R134a

Come gia' accennato, esiste in generale la convinzione che i compressori per R134a siano sicuramente efficienti ma piu' costosi rispetto a quelli per gli altri refrigeranti. Questo e' spesso vero, dato che i compressori di media e grossa taglia solitamente vengono progettati per impiego universale con R134a, R22 e R407C (R404A, R507A). Lo spostamento volumetrico addizionale necessario con R134a porta a maggiori dimensioni geometriche dell’intero compressore. Il potenziale di riduzione dei costi e' circoscritto alla possibilita' di utilizzare un motore piu' piccolo ed e' per questo basso. Questa „regola" non trova facilmente eccezioni nei compressori alternativi e scroll, per il fatto che la cilindrata e la trasmissione del moto oppure il diametro della spirale definiscono in modo sostanziale le dimensioni della carcassa.

3.1 Struttura costruttiva dei compressori a vite compatti

I compressori a vite sono caratterizzati da una costruzione estremamente compatta. Il volume costruttivo specifico della sezione di compressione non viene raggiunto dalle altre due tecnologie.

I compressori contengono un separatore d’olio integrato strutturato in tre stadi con relativo sistema di gestione dell’olio. Nell’applicazione in refrigeratori di liquido questa soluzione costruttiva si e' rivelata particolarmente vantaggiosa.

3.2 Caratteristiche costruttive fondamentali

• Profilo della vite: Design a doppio rotore (rapporto tra i profili 5:6)

• Tipologia costruttiva semiermetica, raffreddamento per mezzo dei gas aspirati

• Struttura base (zona del volume spostato, abbinamento dei motori, robustezza meccanica, dimensionamento dei cuscinetti) dimensionata per R407C e R22 (R404A, R507A)
• Carcassa dei rotori a doppia parete, con compensazione della pressione.
• Cuscinetti a rotolamento a lunga durata con dispositivo di riduzione della pressione
• Separatore dell’olio integrato

La richiesta di regolazione di potenza continua ha condotto allo sviluppo di una valvola di regolazione a cassetto adattata alla forma dei profili, disposta direttamente tra rotore principale e secondario.

La valvola a cassetto viene mossa idraulicamente in modo assiale per ottenere la regolazione della potenza (fig. 5). Una particolare caratteristica costruttiva di questa esecuzione e' che non viene ricircolato verso l’aspirazione del gas gia' parzialmente compresso, la compressione comincia, infatti ,solamente dopo che il volume di aspirazione e' stato ridotto.

Nella presente costruzione, nella ricerca di efficienza e sicurezza di funzionamento particolarmente elevate, una parte del canale di scarico e' integrato nella valvola di regolazione a cassetto (Fig. 5, vedasi "Contour for Vi adaptation"), in questo modo viene realizzato un controllo del Vi a carico parziale. Infatti il rapporto volumetrico intrinseco (Vi) rimane pressoche' costante fino a circa il 70% del carico. Con carico ancora minore, il Vi si riduce cosi' come ci si aspetta che sia ridotto il rapporto delle pressioni del sistema.

Un’ulteriore particolarita' e' la valvola a cassetto dotata di canale dell’economizzatore integrato (Fig.5, vedasi "Sliding ECO-Port"); questo consente il funzionamento di un circuito di sottoraffreddamento indipendentemente dalla condizione di carico del compressore.

Come discusso, i compressori a vite possono operare in maniera molto efficiente ed economica con R134a, dove tuttavia il necessario spostamento volumetrico deve essere incrementato in funzione della riduzione della resa frigorifera volumetrica (fig. 1).

La sfida consisteva in questo: raggiungere con un compressore a R134a, dotato di ingombri paragonabili al modello per R407C, la stessa resa ottenibile in precedenza solo aumentando la taglia del modello scelto tra i compressori per R407C ed R22.

Ulteriori prerequisiti per la gamma ottimizzata per R134a:

– Gestione dell’olio, caratteristiche costruttive di base, controllo della capacita' (con canale mobile dell’economizzatore) come nella gamma esistente

– rendimento isoentropico maggiore rispetto agli equivalenti modelli per R407C e R22

– massima temperatura di condensazione per funzionamento continuo: 65C per il funzionamento standard / 60C con economizzatore

– Vita utile dei cuscinetti – stessi criteri della gamma esistente

– Resistenza alla pressione e dimensionamento in termini di sicurezza – stessi criteri della gamma esistente (prEN12693, UL 984)

– Punti di fissaggio, connessioni di aspirazione, mandata ed ECO – posizione identica alla gamma esistente

Gli elementi determinanti per la geometria di base del compressore a vite compatto sono il motore, la coppia di rotori e il separatore dell’olio.

In ragione dell’assorbimento elettrico circa uguale, tendenzialmente anche inferiore, della versione ottimizzata per R134a, l’abbinamento dei motori elettrici e' identico a quello dei modelli di pari resa per R407C / R22. Con riferimento al raffreddamento con gas aspirato ed alla maggiore portata volumetrica sono stati necessari alcuni adeguamenti.

I profili dei rotori dei compressori a vite sono completamente sviluppati all’interno dell’azienda con tecnologia esclusiva, con rigidezza ed efficienza particolarmente elevate. Su questa base si e' potuto modificare il profilo in modo che il maggiore flusso volumetrico fosse ottenuto solamente con un 10% circa di incremento degli ingombri fondamentali dei rotori. In questo modo e' stato possibile attuare le necessarie modifiche costruttive alla carcassa dei rotori senza impatto sostanziale sulla forma esterna del compressore.

I cuscinetti, notoriamente robusti, sono rimasti gli stessi. In ragione: di una favorevole coppia resistente, di una ridotta differenza di pressione e di un basso livello di pressioni nelle camere dei cuscinetti si hanno delle condizioni addirittura migliori che nei modelli base per R407C e R22. Per effetto delle variate dimensioni nella zona dei rotori sono state necessarie delle modifiche alla finestra di scarico, alla valvola a cassetto ed alla flangia dei cuscinetti.

Approfondite analisi dei separatori dell’olio a tre stadi, originariamente sviluppati per i modelli a R407C e R22 hanno fornito gradi di separazione molto elevati nonostante l’incremento della portata volumetrica. I motivi risiedono nella limitata densita' del vapore e temperatura di scarico dell’R134a, che favoriscono una separazione dell’olio ottimale. Modifiche sono state quindi solo limitatamente necessarie.

Le misure prestazionali confermano l’influsso positivo dell’aumento della dimensione dei rotori. Notoriamente i compressori a vite usati nella tecnica del freddo sono caratterizzati da iniezione d’olio, che ha la funzione di sigillare le piccole fessure esistenti tra le diverse camere di compressione. In questo modo si puo' spiegare la dipendenza della caratteristica di resa e di efficienza dalla velocita' periferica dei rotori, dalla lunghezza delle fessure in rapporto alla portata volumetrica, dalla viscosita' dell’olio e dalla differenza di pressione tra le camere di compressione. Tutti i parametri nominati sono di influsso positivo per questa nuova gamma e spiegano cosi' i buoni risultati.

Il seguente confronto si basa sul comportamento del rendimento isoentropico in dipendenza delle condizioni di servizio. Con il prodotto tra rendimento isoentropico e coefficiente di prestazione teorico (COP) si possono determinare i valori reali ottenibili, dove occorre allo stesso modo anche considerare le differenze tra i refrigeranti (fig.2).

Nel campo di applicazione tipico dei refrigeratori di liquido (SST da 0 a 5C), il confronto evidenzia un vantaggio dal 5 al 7% circa per i compressori a vite rispetto ai compressori scroll generalmente descritti come superiori. Se si considera anche che il coefficiente di prestazione (COP) dell’R134a e' dal 2.5 al 4.5% maggiore, si ottengono vantaggi a favore dei vite compatti a R134a fino a circa il 10%. Non e' stato inoltre considerata l’influenza spesso negativa del glide di temperatura dell’R407C nel condensatore, che puo' portare a temperature di condensazione superiori con la conseguenza di una ulteriore riduzione del COP.  

I compressori a vite sono dotati di una regolazione della potenza particolarmente efficiente – si veda [2] ed il paragrafo 3.3 –, che puo' essere azionata in modo continuo oppure a quattro gradini. E’ generalmente noto e documentato da analisi, che il comportamento dinamico e la risultante efficienza di un impianto frigorifero ovvero di un refrigeratore di liquido sono determinate in modo fondamentale dalla qualita' della regolazione. Sotto questo profilo il compressore a vite, attraverso la possibilita' di una esatta modulazione della potenza in funzione del carico reale e' superiore a qualsiasi tipo di regolazione di tipo ON/OFF dei singoli compressori.

Se in un ipotetico sistema con due compressori per circuito viene spento uno dei due compressori (riduzione a circa 50% della potenza) si ha una evidente diminuzione della temperatura di condensazione. Da questo risulta una evaporazione parziale del refrigerante liquido (formazione di flash-gas nella linea del liquido), la cui temperatura e' ancora ad un livello superiore. Come conseguenza si verificano dei disturbi di regolazione nella valvola di espansione nell’alimentare l’evaporatore, con effetti sfavorevoli in termini di resa e di efficienza. Allo stesso modo all’accensione di un compressore (potenza raddoppiata) si hanno forti pendolazioni nel circuito di regolazione, spesso associate ad insufficiente surriscaldamento ed alle conseguenti deviazioni dalle condizioni di servizio ottimali.

Il descritto comportamento dinamico di un sistema ed i suoi effetti vengono spesso sottovalutati o erroneamente quantificati. I confronti (calcolati) dell’efficienza a carico parziale integrata (IPLV) si basano sostanzialmente su condizioni statiche, con cui dovrebbe venire simulato un funzionamento reale. Pertanto non in e' realta' corretto confrontare direttamente con questo metodo sistemi con caratteristica dinamica differente.

Tuttavia questo tipo di calcolo e' piu' realistico del puro confronto dei consumi energetici e dell’efficienza a pieno carico in condizioni nominali.

Il seguente confronto (fig. 7) mostra, che i vite compatti offrono chiaramente condizioni favorevoli anche senza considerare i vantaggi derivanti dal comportamento dinamico di sevizio. Questo risulta particolarmente evidente nelle condizioni di carico da 100 a 50%, che corrispondono ad un peso totale di circa 80%.