Sebbene le principali strutture costituenti gli impianti di refrigerazione e condizionamento (HVAC) siano rimaste inalterate per molti anni, parallelamente c’e'  stata una costante tendenza a migliorare le soluzioni tecniche al fine di aumentare la capacita' e l’affidabilita' oltre alla riduzione del consumo di energia. Tali miglioramenti sono stati realizzati attraverso modifiche dei componenti come i compressori e gli scambiatori di calore, il progetto dell’impianto e l’applicazione di dispositivi elettronici per il controllo dell’impianto stesso.

Il nuovo concetto di Advanced Chiller Control riduce il consumo di energia garantendo nel contempo un controllo piu' efficace dei chiller.

Quest’articolo ha come scopo l’analisi del circuito di un refrigeratore d’acqua e fornisce una descrizione di come l’Advanced Chiller Control possa migliorare le prestazioni e l’efficienza di questo tipo di impianto.

La discussione si focalizzera' su un refrigeratore d’acqua condensato ad aria per il condizionamento di luoghi residenziali, supermercati e luoghi industriali e per processi di raffreddamento ad uso industriale. Tutte le considerazioni espresse si limiteranno esclusivamente a questo tipo di applicazione e non potranno essere estese ad altri sistemi come ad esempio la refrigerazione commerciale, in quanto il comportamento specifico dei chiller e' ragionevolmente differente da quello di altri impianti.

Consideriamo dapprima le prestazioni e l’impatto del compressore all’interno di un sistema frigorifero. Certamente, esiste una tendenza nell’industria HVAC ad utilizzare sempre di piu' i compressori scroll e vite e quindi abbiamo utilizzato i dati tecnici relativi al compressore Scroll Copeland ZR19M3. Per lo scopo di questo documento, tali dati saranno basati sull’utilizzo del refrigerante R22 in un circuito frigorifero con sotto-raffreddamento pari a zero.

Ora verifichiamo le modalita' in cui il compressore puo' operare in condizioni considerate come ottimali. Per condizione ottimale intendiamo il funzionamento in sicurezza di un compressore entro il suo envelope approvato dal costruttore e con il piu' basso consumo di energia e/o la piu' alta capacita' possibile.

Il surriscaldamento ha un forte impatto sull’affidabilita' e sulla resa di un compressore. Un surriscaldamento molto elevato aumenta la temperatura di scarico mentre un surriscaldamento molto ridotto diminuisce la capacita' di lubrificazione all’interno del compressore. Normalmente i produttori non consigliano un surriscaldamento del gas aspirato inferiore a 8K.

La Fig. 5 dimostra che una diminuzione del surriscaldamento puo' aumentare la resa soltanto in corrispondenza di basse temperature di condensazione, mentre si ha una riduzione per temperature di condensazione piu' elevate.

L’effetto utile va nella direzione voluta (sistema che opera ad una temperatura di condensazione piu' bassa).

1. Valvola di Espansione

2.1 L’influenza della temperatura/pressione di condensazione sulla capacita' della valvola di espansione



Come puo' essere osservato in Fig.6, il comportamento della valvola di espansione e del compressore vanno in direzioni opposte, relativamente alla variazione della temperatura di condensazione. Per esempio, riducendo la temperatura di condensazione la capacita' della valvola di espansione si riduce, mentre la capacita' del compressore aumenta.

La selezione appropriata della valvola di espansione rappresenta uno dei maggiori punti critici.

Consideriamo una temperatura di condensazione di progetto per il chiller di +47C.

La valvola di espansione verra'  scelta sulla base della corrispondente capacita' del compressore, calcolata nelle medesime condizioni (T.C.:+47C). Con la riduzione della temperatura di condensazione la valvola di espansione potrebbe non avere sufficiente capacita' rispetto a quella espressa dal compressore. La valvola di espansione non puo' essere di certo assimilata, tecnicamente, ad una pompa. Essa e' in grado di alimentare l’evaporatore con una quantita' corretta di refrigerante solo se la pressione di ingresso e' sufficientemente elevata. Per questo motivo, la pressione di condensazione non potra' essere ridotta oltre un determinato valore, al fine di evitare che il sistema operi ad una temperatura di evaporazione troppo bassa.

Per sistemi in condizioni operative caratterizzate da basse temperature di condensazione, la valvola di espansione dovra'  essere selezionata in funzione della minima temperatura di condensazione prevista. In condizioni nominali la valvola di espansione risultera' quindi sovradimensionata e si trover a lavorare a carico parziale rispetto alla propria capacita' nominale. L’aspetto fondamentale da chiarire e' pertanto come si comportera' essa durante il funzionamento a carico parziale.

2.2 Comportamento delle valvole di espansione termostatica durante il carico parziale

Valvole di espansione termostatica meccaniche sovra dimensionate potrebbero produrre il cosiddetto effetto di pendolamento durante il funzionamento a carico parziale. Cio' e' dovuto alla breve corsa dello stelo ed alla non corrispondenza diretta tra il tempo di reazione della valvola di espansione e dell’evaporatore.

Leffetto di pendolamento puo' essere descritto come la periodica chiusura ed apertura della valvola che porta alla fluttuazione della pressione di aspirazione ed a corrispondenti rese insufficienti. La Fig.7 mostra una valvola di espansione operante a carico parziale con piccoli spostamenti dello stelo in prossimita' della posizione di completa chiusura, bassi surriscaldamenti e differenti tempi di reazione a carico parziale, confrontati con il comportamento in condizioni di pieno carico.

L’obbiettivo principale e' quello di ottenere il maggior scambio termico possibile nell’evaporatore, risultato ottenibile controllando i seguenti aspetti:

Surriscaldamento ottimale nell’evaporatore



In condizioni di surriscaldamento estremamente basso, il refrigerante liquido non evaporer completamente mentre in condizioni di surriscaldamento elevato, la superficie di scambio termico risultera' ridotta. Lo scambio termico massimo puo' essere ottenuto in specifiche condizioni di surriscaldamento intermedie, n troppo elevato, n troppo basso. Il surriscaldamento ottimale puo' variare in base alle diverse tipologie di evaporatore.

Lo scambio termico in funzione delle diverse scelte progettuali

La massima capacita' ottenibile alle migliori condizioni di surriscaldamento e temperatura di evaporazione dipende dal corretto funzionamento dello scambiatore in corrispondenza di una piccola differenza tra la temperatura di evaporazione e la temperatura del fluido secondario (acqua).



Fig. 9

Sono facilmente reperibili sul mercato scambiatori di calore allagati per refrigeratori d’acqua in cui questo aspetto e' stato oggetto di attente valutazioni progettuali e di ottimizzazione.

La tendenza all’utilizzo di scambiatori a piastre di taglia sempre piu' elevata e' limitata, al momento, da problematiche progettuali. La necessit, infatti, e' quella di migliorare la distribuzione del refrigerante liquido nei canali inferiori degli scambiatori a piastre stessi. Il comportamento dinamico di questo tipo di scambiatori e' molto accentuato, pertanto sono richiesti sistemi di controllo che reagiscano piu' rapidamente e che siano il piu' possibile insensibili alla variazione delle condizioni di funzionamento del circuito frigorifero. In questa ottica, la valvola di espansione elettronica rappresenta sicuramente un netto miglioramento rispetto alla tradizionale valvola di espansione termostatica di tipo meccanico.



Fig. 10

1. Consumo Energetico

Possiamo ora riassumere i concetti precedentemente esposti:

1. Grazie all’utilizzo di valvole di espansione elettroniche e' possibile far funzionare un sistema frigorifero con basse temperature di condensazione. L’effetto e' maggiormente significativo se il condensatore viene selezionato con un D T di 10K. Il tempo di funzionamento di un sistema a compressori multipli risultera' ridotto, oppure il sistema funzioner a carico parziale piuttosto che a piena capacita' riducendo comunque la potenza assorbita.
2. Temperature di evaporazione piu' elevate garantiscono un aumento della capacita' frigorifera.
3. La soluzione ottimale e' rappresentata da un controllo del sistema con valvole di espansione elettroniche.

Esempio

Sistema: refrigeratore d’acqua condensato ad aria

Luogo di installazione: Germania del Sud

T di evaporazione di progetto: +3C, in alternativa +4C

T ingresso acqua: +12C

T uscita acqua: +6C

Carico termico dell’edificio: 150 kW a +32C di T ambiente

T di condensazione: 15K, in alternativa 10K sopra la temperatura ambiente.

T di condensazione minima (T_Cmin): 40C, in alternativa condensazione flottante

Numero di compressori: 4

Questa tabella riporta un possibile scenario relativo al consumo energetico in diverse condizioni operative.