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CENTRO STUDI GALILEO

 

LE LINEE FRIGORIFERE

Gianfranco Cattabriga

 A una capacità frigorifera prefissata (risultato del calcolo dei carichi termici della struttura da climatizzare o refrigerare) corrisponde una determinata portata ponderale (kg/h) di fluido refrigerante in gioco.

La conoscenza di questo parametro unita ai dati di funzionamento quali temperature di evaporazione e condensazione permette di risalire al volume di  refrigerante che nell’unità di tempo transita nelle tubazioni o in qualsiasi altro componente.

Un calcolo analitico rigoroso permette di determinare le perdite di carico e conseguentemente i diametri delle linee frigorifere; da tale calcolo risulta che la perdita di carico è inversamente proporzionale al diametro della linea (a un raddoppio del diametro la perdita si riduce alla metà) ed è direttamente proporzionale al quadrato della velocità (a un raddoppio della velocità la perdita di carico aumenta di quattro volte).

Altri fattori che entrano in gioco e influiscono sulla perdita di carico son a lunghezza della tubazione, il coefficiente di attrito (che dipende dal materiale usato e dalla sua finitura di lavorazione) e il volume specifico (m3/kg) del refrigerante.

Nella pratica corrente, a tutti questi calcoli di notevole complessità, si preferisce sostituire il metodo delle “lunghezze equivalenti”, più semplice, di attuazione più rapida ed egualmente attendibile.

Tale metodo di calcolo verrà illustrato alla fine di questo articolo, prima è necessario affrontare i criteri che il progettista delle linee frigorifere deve adottare per una ottimale circuitazione del fluido refrigerante.

La progettazione delle linee di un circuito frigorifero si può assimilare a quella di un normale circuito idraulico, ma la specificità del fluido refrigerante coinvolge altri essenziali fattori che se sottovalutati precludono il buon funzionamento dell’impianto.

Nel dimensionamento delle tubazioni frigorifere si deve tenere conto dei seguenti elementi:
• le tubazioni oppongono una resistenza al flusso di refrigerante (perdita di carico) che riduce la potenza frigorifera erogata
• maggiore è la lunghezza della linea frigorifera, maggiore è la perdita di carico
• linee frigorifere abbondantemente dimensionate riducono la perdita di carico ma contemporaneamente riducono la velocità del refrigerante e, di conseguenza, il suo effetto di trascinamento del lubrificante; ciò implica un ristagno di una maggiore quantità di lubrificante all’interno del circuito frigorifero riducendone il livello all’interno del carter del compressore.

Quest’ultima considerazione influisce non solo sulla lubrificazione del compressore ma anche sulla efficienza degli scambiatori (condensatore ed evaporatore); la presenza di lubrificante all’interno dello scambiatore penalizza la trasmissione di calore tra il refrigerante e il fluido secondario (aria o acqua).

 Principi generali di progettazione delle linee frigorifere

La progettazione delle linee frigorifere deve soddisfare vari requisiti quali:
• accurata alimentazione di refrigerante liquido alla valvola termostatica
• percorso razionale e pratico delle tubazioni con perdite di carico contenute
• favorire il ritorno del lubrificante durante l funzionamento del compressore
• ostacolare il ritorno di refrigerante liquido con compressore fermo

Ciascuna linea deve svolgere i suoi compiti specifici che richiedono soluzioni specifiche (illustrate nei prossimi paragrafi) ma tutte devono essere eseguite rispettando criteri comuni:
• pendenza di almeno 1% nella direzione del flusso (vedi fig.1)
• velocità del refrigerante tale da garantire il trascinamento del lubrificante senza eccessive perdite di carico; le velocità suggerite per le diverse linee frigorifere sono riportate nei singoli paragrafi.


Figura 1

La linea di scarico

 È il tratto di tubazione che collega il compressore al condensatore. Una linea frigorifera con sezione insufficiente comporta una elevata velocità del refrigerante e rumorosità durante il funzionamento del compressore; dimensionando la linea di scarico sulla base di una velocità pari a 15 m/s si avrà un buon compromesso tra perdite di carico, trascinamento del lubrificante e rumorosità.

Per evitare il riflusso di lubrificante e refrigerante liquido al compressore al momento del suo arresto è necessario prevedere adatti sifoni alla base di ogni tratto verticale con direzione ascendente del flusso (vedi fig.2); una linea di scarico di elevato sviluppo verticale quale quella che collega un compressore a un condensatore remoto installato a una quota più elevata deve essere dotata di un sifone ogni 3-4 m di dislivello (vedi fig.3).


Figura 2


Figura 3

Un altro compito del sifone è quello di accumulare il lubrificante che intrappolato al suo interno ne riduce la sezione, incrementando la velocità del refrigerante; una volta raggiunta una velocità elevata, l’accumulo di lubrificante viene violentemente trascinato dal refrigerante superando così il tratto verticale (vedi fig.4).




Figura 4

Dall’attacco di scarico del compressore alternativo (a pistoni) fuoriesce un flusso di refrigerante caratterizzato da micropulsazioni fonte di vibrazioni e/o risonanze sonore nella linea di scarico.

Le vibrazioni possono essere annullate installando un tubo flessibile antivibrante sulla linea, il più vicino possibile al compressore; non deve essere soggetto a trazione o compressione ma solo a sollecitazioni di flessione, quindi la sua posizione corretta è quella con l’asse parallelo all’asse di rotazione del compressore (vedi fig.5).


Figura 5

Una linea di scarico adeguatamente corredata di curve consente al tubo di rame di dilatarsi o contrarsi al variare della sua temperatura e di non trasmettere eventuali vibrazioni alle strutture circostanti o al circuito frigorifero.

L’impiego di un silenziatore di scarico (muffola) oltre a smorzare le pulsazioni del flusso di refrigerante evitando il propagarsi di onde sonore.

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Nella prima parte della trattazione “le linee frigorifere” abbiamo illustrato i principi generali di progettazione delle line frigorifere seguiti da considerazioni sulle singole linee frigorifere, cominciando dalla linea di scarico.
Seguendo il flusso del refrigerante, la linea frigorifera che segue è la linea del liquido.

La linea del liquido

La linea del liquido si identifica con il tratto di tubazione che collega l’uscita del condensatore all’entrata della valvola termostatica (o, in senso generale, l’organo di laminazione).

Molto spesso, tra condensatore e valvola termostatica, è interposto il ricevitore di liquido (vedi fig.6); non vi è ricevitore di liquido quando la sua funzione venga svolta da un condensatore ad acqua particolarmente capiente, del tipo a fascio tubiero (vedi fig.7).


Figura 6


Figura 7

Questa linea frigorifera deve consentire un libero drenaggio del refrigerante liquido dal condensatore al ricevitore e dal ricevitore alla valvola termostatica in tutte le condizioni di funzionamento.

La conformazione della linea del liquido non richiede alcuna particolare precauzione se non il rispetto della pendenza minima di 1% nella direzione del flusso.

Il trascinamento del lubrificante è garantito dalle condizioni di alta temperatura e viscosità tipiche del refrigerante in forma liquida presente in questa parte del circuito.

Così come scritto per la linea di scarico, anche per la linea del liquido occorre limitare la perdita di carico a valori bassi; in questo caso è necessario dedicare una particolare attenzione al dimensionamento per evitare che eccessive perdite di carico siano causa di fenomeni di vaporizzazione del fluido refrigerante liquido prima che esso giunga alla valvola termostatica.

Una velocità del refrigerante pari a 1,5 m/s risulta un buon compromesso tra perdite di carico e trascinamento del lubrificante. Va inoltre considerato che in una linea del liquido ad andamento verticale si manifesta una caduta di pressione dovuta all’azione della forza di gravità sulla massa della colonna liquida.

Tale caduta di pressione in linee a forte sviluppo verticale può raggiungere valori sufficienti a innescare la parziale vaporizzazione del refrigerante liquido, il che comporta una riduzione dell’efficienza della valvola termostatica e quindi una corrispondente riduzione dell’effetto frigorifero.

Quando tale andamento della linea risulti inevitabile, il rischio di vaporizzazione del refrigerante liquido può essere annullato con un adeguato sottoraffreddamento del liquido, che si ottiene con un appropriato dimensionamento del condensatore, oppure, quando ciò non bastasse, facendo ricorso a uno scambiatore di calore liquido-vapore.

La tavola 1 fornisce le perdite di carico “statiche” nella linea del liquido in funzione dell’altezza della colonna liquida e della temperatura del fluido refrigerante, mentre la tavola 2 indica il sottoraffreddamento necessario per compensare tali perdite di carico.

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La linea di aspirazione

La linea di aspirazione è il tratto della tubazione che unisce l’evaporatore all’attacco di aspirazione del compressore.

Al pari delle altre linee frigorifere essa deve soddisfare determinati requisiti quali:

• evitare, nel caso di più evaporatori variamente disposti e collegati a un’unica linea di aspirazione, la possibilità di trasferimento di refrigerante da un evaporatore al collettore di aspirazione di un altro evaporatore, influenzando i bulbi delle valvole termostatiche e creando così le condizioni per un cattivo funzionamento delle valvole stesse

• favorire il ritorno dell’olio ai compressori muniti di sistema di parzializzazione, specie quando l’impianto lavora a regime di potenza ridotta

• ostacolare il ritorno di olio e refrigerante al compressore quando questo è in fase di riposo

Le soluzioni generali da adottare sono quelle valide per ogni linea frigorifera:

• pendenza di almeno 1% nella direzione del flusso

• velocità del refrigerante tale da garantire il trascinamento del lubrificante senza eccessive perdite di carico

La velocità suggerita per la linea di aspirazione è pari a 3,8 m/s per i tratti con flusso orizzontale che diventa 7,6 m/s quando la linea è verticale e il flusso ascendente.

Ma la progettazione della linea di aspirazione richiede anche soluzioni specifiche che tengono in considerazione la bassa densità del gas aspirato, la sua relativamente bassa pressione e temperatura.

I sifoni

Si ottengono questi risultati dando alle tubazioni le conformazioni indicate nella figura 8.


Figura 8

Consideriamo l’andamento della linea di aspirazione nel suo primo tratto, all’uscita dell’evaporatore.

Si avrà un primo tratto rettilineo della linea di aspirazione leggermente pendente verso un sifone, al termine del quale inizia, a seconda dei casi, un tratto a “U” rovesciato (la cui sommità è a livello della sommità dell’evaporatore) se il compressore ubicato sotto l’evaporatore, oppure un montante verticale di tubazione, se il compressore è installato sopra l’evaporatore.

È nel primo tratto rettilineo della linea di aspirazione, quello posto tra l’evaporatore e il sifone, che vengono fissati, nell’ordine, il bulbo della valvola termostatica, l’attacco per il manometro che sarà utilizzato per la misura della pressione, l’eventuale attacco per la tubazione di equalizzazione esterna della valvola termostatica.

Il doppio montante

Qualora venga utilizzato un compressore dotato di dispositivo di parzializzazione della capacità frigorifera, oppure l’impianto preveda due o più compressori in parallelo il volume di gas spostato in condizioni di minimo carico sarà una frazione del volume spostato in condizioni di massimo carico.

Allo scopo di ottenere anche nelle condizioni di minimo carico una velocità sufficientemente alta del gas aspirato (e quindi il necessario ritorno dell’olio), quando il compressore sia installato a un livello più alto dell’evaporatore (o degli evaporatori), si ricorre all’applicazione di montanti sdoppiati (fig.9)


Figura 9

Anche in questo caso la perdita di carico deve essere contenuta per evitare una diminuzione della capacità frigorifera.

Un montante sarà dimensionato per assicurare il ritorno dell’olio in condizioni di minimo carico, mentre l’altro lavorerà, in parallelo al primo, quando le condizioni di carico saranno le massime.

Se in questa linea è inserito un tratto di tubazione verticale con andamento del flusso dal basso verso l’alto, il suo dimensionamento dovrà essere tale da consentire una velocità del fluido refrigerante sufficientemente elevata da garantire il trascinamento dell’olio lubrificante ad esso miscelato.

Alla base dei montanti viene sempre inserito un sifone.

La perdita di carico e temperatura di evaporazione “corretta”

La perdita di carico totale della linea di aspirazione, espressa in metri di lunghezza equivalente, è data dalla somma delle perdite di carico localizzate e quelle distribuite.

Una linea di aspirazione non isolata assorbe una considerevole quantità di calore lungo il suo percorso dall’evaporatore al compressore.

Ciò si traduce in una perdita di efficienza dell’impianto e in una maggiore sollecitazione termica del compressore a causa della più alta temperatura del refrigerante aspirato.

Allo scopo di minimizzare questi fenomeni negativi, è indispensabile provvedere all’isolamento termico della linea di aspirazione, rivestendola con spezzoni di tubo isolante di adeguato spessore.

Nel dimensionamento della linea di aspirazione occorre valutare la temperatura di evaporazione “corretta”.

La temperatura di evaporazione discende direttamente dal calcolo effettuato per dimensionare l’evaporatore.

È consuetudine considerare una caduta di pressione nella linea di aspirazione equivalente a 1°C a compensazione delle ulteriori cadute di pressione quantificate durante il dimensionamento della linea di aspirazione.

Si avrà allora una temperatura di evaporazione “corretta” :

t evap corretta (°C) = t evap (°C) -1 (°C)

La temperatura di evaporazione “corretta” che deve essere considerata a tutti gli effetti come la temperatura di evaporazione operativa del compressore, dovrà essere compresa nella gamma di temperature di evaporazione ammesse dal costruttore del compressore stesso.