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Tecnica
dicembre 2013
LA TERMOTECNICA
Refrigerazione
di F. Aloisio, G. Del Gobbo, A. Zudek
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Macchine frigorifere a bassa carica di ammoniaca
raffreddate ad aria con condensatore a microcanali
Il presente articolo tratta di metodi e accorgimenti per migliorare le prestazioni e ridurre la carica di refrigerante in macchine frigorifere (chillers) a
compressione di vapore di ammoniaca raffreddate ad aria, con potenze frigorifere fino a 900 kW, aventi allo stesso tempo alta efficienza con aria di
raffreddamento da -20 °C a +45 °C. Si utilizzano sia pannelli a microcanali in alluminio per la condensazione sia evaporatori di tipo a espansione
diretta. Per ottimizzare le prestazioni a carico parziale, i compressori, alternativi o a vite, operano a velocità variabile mediante impiego di inverter. La
regolazione della condensazione avviene impiegando dei ventilatori con motori a magneti permanenti e inverter.
LOW CHARGE AMMONIA AIR-COOLED CHILLERS WITH MICROCHANNEL CONDENSER
This paper shows a case of study for the methods and solutions to reduce ammonia charge in an air cooled chiller till 900 kW of cooling capacity, having
at the same time high efficiency, for air ambient condition from -20°C to +45°C. Aluminium microchannel condenser and direct expansion evaporator
are the components that permits to achieve this result. To optimize the performance in partload condition, screw and reciprocating compressors have
variable speed control while fans for condensation are operated by permanent magnets motors equipped with VFD.
INTRODUZIONE
L’ammoniaca viene sempre più scelta come refrigerante nei
refrigeratori di liquidi, altresì detti chiller, a discapito dei Freon.
L’ammoniaca è il refrigerante che offre i migliori vantaggi dal punto
di vista dell’efficienza ed è caratterizzato da un impatto ambientale
nullo con valori di GWP e ODP pari a zero.
Nonostante le sue qualità, l’uso dell’ammoniaca è stato addirittura
ostacolato per il fatto di essere tossica e, in certe concentrazioni,
infiammabile.
Quando si progetta un chiller ad ammoniaca, gli obiettivi principali
sono la riduzione di carica di refrigerante e il rilevamento di perdite
di ammoniaca, specialmente se ci sono persone coinvolte nel luogo
d’installazione del gruppo frigorifero.
Quest’articolo spazia sui criteri e sulle soluzione adottate per la
realizzazione di un chiller raffreddato ad aria, caratterizzato
da bassa carica di refrigerante e dai consumi ridotti (Figura 1),
confrontato con refrigeratori condensati ad aria di tipo tradizionale.
Il gruppo frigorifero dovrà inoltre risultare compatto e di facile
installazione, adatto per un ampio range di applicazioni, tra cui:
--raffreddamento di processo;
--centri commerciali;
--industria alimentare;
--stadi del ghiaccio;
FIGURA 1
F.Aloisio, G. Del Gobbo, A. Zudek- Zudek srl
--building services;
--condizionamento
CRITERI DI PROGETTAZIONE
Un chiller raffreddato ad aria è una macchina in cui la condensazione del fluido refrigerante avviene in uno scambiatore di calore
con cessione di calore all’aria ambiente.
Il gruppo frigorifero, oggetto della trattazione è formato dai seguenti
componenti principali:
--compressore;
--evaporatore a espansione diretta controllato da valvola espansione di tipo elettronico;
--condensatore a micro canali;
--inverter su compressore e ventilatori;
--ventilatori di alta efficienza e largo diametro con pala a profilo
alare;
--sistema di recupero automatico dell’olio;
--sistema di rilevamento fughe refrigerante.
COMPRESSORE
I tipi di compressore adottati per il gruppo frigorifero possono
essere sia di tipo a vite sia a pistoni; sono di tipo aperto e accoppiati
direttamente al motore elettrico.
In caso di utilizzo del compressore a pistoni, l’allineamento è
garantito montandolo un basamento solido, invece per il
compressore a vite si può utilizzare un giunto d’accoppiamento
a campana.
EVAPORATORE A ESPANSIONE DIRETTA
Lo scambio di calore tra ammoniaca e fluido secondario avviene
tramite uno scambiatore a piastre.
L’alimentazione dell’ammonica avviene per espansione diretta.
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L’utilizzo di scambiatori a piastre riduce l’approach” (o distanza) tra
la temperatura di evaporazione e quella del fluido all’uscita, migliorando pertanto l’efficienza del sistema; la taglia dello scambiatore
è ridotta, se paragonata a un comune evaporatore a fascio tubiero;
si diminuisce inoltre il volume interno per lo scambio termico e di
conseguenza la quantità di ammoniaca da utilizzare.
Siccome non c’è bisogno di mantenere elevate velocità del refrigerante per il recupero dell’olio, le perdite di carico sul lato refrigerante
sono minori, con riduzione dei consumi per la compressione.
L’espansione diretta viene controllata da una centralina elettronica,
che risulta essere più precisa e rapida rispetto ad un sistema con
normale valvola termostatica.
Vi è un aumento di potenza frigorifera in quanto il surriscaldamento
del gas è molto ridotto; in questa maniera viene ridotta la zona di
scambio termico col gas, caratterizzato da un coefficiente di scambio
inferiore.
CONDENSATORE A MICROCANALI
Il condensatore a microcanali in alluminio può essere considerato
come il componente più innovativo del gruppo frigorifero; consiste in
tubicini di piccolo sezione separate da lamierini di piccolo spessore
ripiegati (Figura 2).
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Con l’inverter, inoltre, la corrente di spunto, gli stress meccanici e
termici alla partenza sono ridotti; migliora anche il power factor.
In Figura 3 è riportato un confronto tra le prestazioni di uno stesso
compressore frigorifero, in condizioni di carico parziale, quando la
regolazione viene fatta con riduzione della velocità o con la valvola
a cassetto.
FIGURA 3
Il divario risulta più accentuato e sensibile, e pertanto con grandi
risparmi energetici, per tutte quelle applicazioni dove il carico è variabile giornalmente o stagionalmente. L’inverter viene inoltre installato
sui ventilatori per regolare la pressione di condensazione.
FIGURA 2
Questo tipo di condensatore si distingue dalle comuni serpentine di
tubi per le seguenti qualità: ridotta carica di ammoniaca e maggiore
scambio di calore per unità di superficie.
Il condensatore è sotto forma di pannelli posti verticalmente sui lati
del gruppo frigorifero; l’ingresso del refrigerante è sul lato più in alto
mentre l’uscita è sul fondo.
Misure sperimentali mostrano che il condensatore a microcanali
presenta i seguenti vantaggi:
-- coefficiente di scambio termico globale K aumentato [W/m2 °C];
-- coefficiente di scambio termico convettivo h aumentato [W/m2 °C];
-- dimensioni dello scambiatore diminuite per stesso calore dissipato.
INVERTER
In molte applicazioni nelle quali il carico frigorifero varia di frequente,
risulta molto proficuo l’utilizzo dell’inverter per controllare la potenza
frigorifera con la velocità di rotazione del motore.
Meccanismi quali esclusione bancate e l’utilizzo della valvola cassetto
riducono le prestazioni del chiller; con l’inverter il compressore lavora
quindi, anche a condizioni di carico parziale, nelle condizioni migliori.
VENTILATORI ASSIALI
Per effettuare la condensazione ad aria sono installati ventilatori
di tipo assiale; sono caratterizzati da un ampio diametro con pale
a profilo alare.
Il numero di ventilatori, così come quello di pannelli condensanti,
dipende dalla potenza termica da dissipare.
L’oggetto della trattazione è caratterizzato da una potenza frigorifera con un range da 150 a 900 kW, corrispondente a un numero di
ventilatori da 2 a 5.
Il diametro e la tipologia del ventilatore sono stati scelti per raggiungere la massima efficienza per le condizioni di portata e pressione
statica richieste.
A parità di superficie utile, tra una soluzione con due ventilatori
ottimizzati e otto ventilatori di taglia più piccola in parallelo,
la prima risulta meno dispendiosa dal punto di vista energetico
nonché più silenziosa.
MOTORE ELETTRICO
I motori elettrici montati sul chiller sono di tipo asincrono trifase, di
almeno categoria IE2.
Il motore viene raffreddato ad aria e può essere servoventilato o meno;
tale configurazione va scelta in base alla rumorosità e a quanto calore
riesce a smaltire a bassa velocità di rotazione.
Il motore è accoppiato direttamente al compressore.
Per i ventilatori si è studiata una soluzione con motore a magneti
permanenti; questa categoria è ancora in attesa di approvazione per
essere “Superpremium-IE4”.
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SISTEMA DI RECUPERO AUTOMATICO DELL’OLIO
Per un continuo, regolare ed efficiente funzionamento del gruppo frigorifero è necessario garantire il recupero dell’olio al compressore.
L’olio tende ad accumularsi nella parte inferiore dell’evaporatore,
con il rischio di compromettere lo scambio termico dell’evaporatore,
addirittura fino ad intasarlo.
Per questa ragione è stato installato un sistema di recupero automatico dell’olio: grazie ad un eiettore, basato sul sistema Venturi,
l’olio, che si trova nel circuito di bassa pressione, viene convogliato
dalla spinta dell’ammoniaca ad alta pressione, all’ingresso del
compressore.
SICUREZZA
Per quanto riguarda la sicurezza del chiller, viene montato un sensore
di ammoniaca con due livelli di allarme: pre-allarme e allarme (Figura
4). Se vi è una fuga d’ammoniaca questa viene immediatamente rilevata e la macchina porterà automaticamente i ventilatori alla massima
velocità; lo scarico delle valvole di sicurezza è convogliato sulla parte
superiore del chiller (Figura 5), all’uscita della bocca ventilante; in
questa maniera l’ammoniaca viene dispersa facilmente.
FIGURA 4
FIGURA 5
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CONCLUSIONI
Le soluzioni adottate nell’articolo mostrano come ridurre la carica di
ammoniaca, ottenendo risparmi energetici con un design compatto.
L’adozione di queste caratteristiche ha portato a ridurre la carica di
ammoniaca a circa 0,044 kg/kW, rispetto agli usuali 0,11 ÷ 0,255
kg/kW (in caso di applicazione di condizionamento e raffreddamento di processo).
Gli sviluppi futuri sono i seguenti:
-- raffreddamento dell’olio con micro canali (fatto);
-- miglioramenti su posizione e geometria dei ventilatori.
GLOSSARIO
GWP = Global Warming Potential
h = coefficiente di scambio termico convettivo
K = coefficiente di scambio termico globale
ODP = Ozone Depletion Potential
VFD = Variable-Frequency Drive
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