Walter Bianchi, Dr. Eric Winandy      Copeland Europe     Emerson Climate Technologies

Il ciclo ad iniezione di vapore, in cui viene impiegato un sottoraffreddatore del liquido (economizzatore), e' comunemente utilizzato per migliorare le prestazioni in applicazioni avanzate di bassa temperatura [1]. Tradizionalmente questo sistema viene utilizzato con compressori a vite di grossa capacita' oppure impiegando due compressori alternativi semiermetici indipendenti. L’introduzione del compressore scroll ad iniezione di vapore permette di sfruttare il ciclo con economizzatore, utilizzando un unico compressore in cui viene iniettato il vapore all’interno della spirale ad una pressione intermedia. Questa relazione descrive il funzionamento del compressore scroll ad iniezione di vapore, le sue caratteristiche principali e l’impiego in applicazioni di refrigerazione commerciale.

Il ciclo ad iniezione di vapore con il compressore scroll e' simile a quello di un ciclo a due stadi con interstadio di raffreddamento, ma in cui il processo viene realizzato utilizzando un unico compressore come mostrato in figura 1: una parte del refrigerante liquido, dal lato di alta pressione, passa attraverso una valvola di espansione e poi in uno scambiatore di calore a piastre che funziona da sottoraffreddatore. Il vapore surriscaldato e' poi iniettato ad una pressione intermedia nella spirale del compressore scroll: il sottoraffreddamento addizionale aumenta l’effetto frigorifero all’evaporatore in quanto l’entalpia al suo ingresso diminuisce [2].

La figura 2 mostra la spirale del compressore scroll, con indicata la posizione delle porte di iniezione del vapore simmetriche rispetto alla fase di compressione, e la parte superiore del compressore dove e' visibile il tubo di iniezione vapore.

Come illustrato precedentemente, il sottoraffreddamento aggiuntivo aumenta l’entalpia all’evaporatore e quindi, a parita' di capacita', e' possibile utilizzare un compressore di cilindrata inferiore.

Questo sistema puo' anche essere sfruttato per modulare la capacita' del compressore nel caso in cui il carico frigorifero sia basso: utilizzando una valvola solenoide e' possibile escludere il circuito di iniezione vapore riducendo cosi' la capacita' frigorifera.

Il guadagno di capacita' che si ottiene e' maggiore in percentuale all’aumentare del rapporto di compressione: questo sistema si adatta bene ad essere utilizzato con l’R404A e risulta migliore rispetto all’impiego di uno scambiatore passivo tra linea liquido ed aspirazione.

L’efficienza del ciclo con compressore scroll ad iniezione di vapore e' superiore a quella di un compressore tradizionale monostadio poiche' la capacita' addizionale derivante dal sottoraffreddamento e' ottenuta con una minore quantita' di potenza assorbita: il vapore, prodotto nel processo di sottoraffreddamento, viene compresso solo a partire dalla pressione intermedia chee' superiore rispetto alla pressione di aspirazione.

La figura 3 mostra un esempio (da [3]) del guadagno in percentuale di capacita' e COP per uno scroll ad iniezione di vapore rispetto ad un compressore monostadio tradizionale alle condizioni EN12900 per applicazioni di bassa temperatura con R404A (-35/40C): risulta evidente un significativo aumento sia di capacita' (+45%) che di COP (+27%). L’efficienza ottenibile con il compressore scroll ad iniezione di vapore risulta cosi' superiore a quella dei migliori compressori alternativi disponibili sul mercato.

Inoltre, il guadagno in percentuale risulta addirittura superiore se si considerano sistemi tradizionali in cui la temperatura del gas di ritorno al compressore risulta inferiore ai 20C considerati dalle EN12900 (figura 4).

Oltre all’incremento delle prestazioni, questo sistema offre ulteriori vantaggi:

1. permette di mantenere lo stesso campo di funzionamento di quello ottenibile con l’iniezione di liquido, ma con una efficienza superiore;
2. offre la possibilita' di modulare la capacit;
3. le linee del liquido e quindi la carica di refrigerante possono essere ridotte grazie alla maggior entalpia disponibile attraverso l’evaporatore;
4. la perdita di carico lungo la linea di aspirazione risulta inferiore rispetto a quella di un ciclo tradizionale in quanto la portata in aspirazione e' minore. La riduzione di questo valore puo' essere significativa, essendo proporzionale al quadrato della portata: per esempio, ad una riduzione della portata del 40% corrisponde una riduzione della perdita di carico in aspirazione del 64%.

I compressori scroll hanno il vantaggio rispetto ai compressori tradizionali semiermetici di fornire una capacita' che rimane tendenzialmente piu' costante al variare del rapporto di compressione e quindi al variare della temperatura di condensazione o della temperatura ambiente a condizioni di evaporazione fisse: questa caratteristica e' dovuta all’efficienza volumetrica dello scroll che rimane circa costante in quanto non e' influenzata dal volume nocivo che penalizza invece i compressori alternativi [4]. Il compressore scroll ad iniezione di vapore amplifica ancora di piu' questo comportamento in quanto l’effetto del sottoraffreddamento si riduce al diminuire della temperatura di condensazione (figura 5): questo implica una migliore corrispondenza tra carico e capacita' al variare della temperatura di condensazione.

Inoltre, al diminuire della temperatura ambiente, l’efficienza dei compressori alternativi diminuisce poiche' le valvole sono ottimizzate per un rapporto di compressione superiore (figura 6). Infine bisogna anche ricordare che i compressori alternativi, a causa dell’eccedenza di capacita' in queste condizioni, necessitano di parzializzazione che e' causa di ulteriori perdite di efficienza.

I benefici ottenibili, utilizzando lo scroll ad iniezione di vapore, possono essere quindi riassunti in:

• durante il funzionamento invernale, viene ridotta la necessita' di parzializzazione della capacita' con conseguenti benefici in termini di semplicita' di controllo, affidabilita' e consumo di energia: un ulteriore vantaggio e' quello di avere sempre una portata di refrigerante costante nella linea di aspirazione e quindi un miglior ritorno di olio al compressore;
• durante il funzionamento estivo con temperature ambiente elevate, risulta minore il pericolo di avere una capacita' insufficiente.

Nei sistemi standard di refrigerazione, vengono utilizzati normalmente compressori per media e bassa temperatura: molto spesso viene impiegato un sottoraffreddatore comandato dal compressore di media temperatura (MT) che raffredda il refrigerante del circuito a bassa temperatura (LT).

Questo permette normalmente di risparmiare circa dal 3 al 8% rispetto ai sistemi senza sottoraffreddatore. Il sistema a media temperatura deve essere progettato per far fronte al carico addizionale dovuto al sottoraffreddatore, mentre il sistema a bassa temperatura puo' risultare di capacita' inferiore: il costo totale del sistema con sottoraffreddatore e' in generale superiore a quello di due circuiti separati, ma il risparmio che si ottiene in funzionamento permette di ammortizzare l’investimento in meno di 2 anni.

Il sistema con compressore scroll ad iniezione di vapore prevede anch’esso il sottoraffreddatore per aumentare l’efficienza, ma il circuito a media temperatura non necessita di una capacita' aggiuntiva, permettendo cosi' una riduzione dei costi.

La figura 7 mostra una tipica applicazione multi-scroll in un supermarket in cui viene utilizzato un sottoraffreddatore tra il circuito MT ed LT: lo svantaggio e' che il sistema richiede un compressore addizionale nel circuito MT (evidenziato in arancione) per fornire la capacita' addizionale richiesta dal sottoraffreddatore. Inoltre i compressori per bassa temperatura potrebbero richiedere l’iniezione di liquido.

La figura 8 mostra la stessa applicazione utilizzando compressori scroll ad iniezione di vapore nel circuito LT: entrambi i circuiti funzionano indipendentemente garantendo una maggiore affidabilita' del sistema ed inoltre non e' piu' richiesto il compressore aggiuntivo nel circuito MT diminuendo cosi' il costo dell’impianto. Nel circuito LT, l’iniezione di vapore sostituisce l’iniezione di liquido.

I compressori scroll ad iniezione di vapore costituiscono un semplice strumento per aumentare la capacita' e l’efficienza del sistema oltre ad offrire un ampio campo di funzionamento idoneo per tutte le tradizionali applicazioni di refrigerazione commerciale.

Questa relazione ha affrontato i benefici dovuti a questa tecnologia:

1. permette di modulare la capacita' del compressore al variare del carico;
2. la linea del liquido e quindi la carica di refrigerante possono essere ridotte grazie alla maggior entalpia disponibile all’evaporatore;
3. a perdita di carico in aspirazione e' inferiore a quella di un sistema tradizionale di pari capacita';
4. minore eccedenza di capacita' durante il funzionamento invernale che permette di ridurre il funzionamento parzializzato del compressore con benefici in termini di semplicita' di controllo, affidabilita' e consumo di energia;
5. portata di refrigerante costante in aspirazione che assicura un migliore ritorno di olio al compressore;
6. minor pericolo di mancanza di capacita' in funzionamento estivo;
7. entrambi i circuiti MT e LT funzionano indipendentemente aumentando cosi' l’affidabilita' del sistema.