Appunti di Fisica tecnica

C OMPRESSORE A PISTONI

Il compressore a pistoni è ancora largamente utilizzato per la sua robustezza e semplicità.

P ROBLEMATICHE

Una caratteristica dei motori a pistone è il rendimento volumetrico, ovvero il rapporto

tra volume aspirato e volume generato, il quale deve essere il più possibile vicino ad

uno.

Si badi che il rendimento volumetrico non influisce sul lavoro teorico di compressione

che resta sempre lo stesso, ma sul numero di corse che deve fare il pistone per

comprimere un certo volume di gas in aspirazione: se aumentano, ad esempio,

accresce anche la quota di perdita per attrito. Inoltre, un basso rendimento

volumetrico impone, a parità di prestazione, macchine di dimensione più grande.

I fattori che riducono il rendimento volumetrico sono:

- il volume nocivo: maggiore è il volume nocivo e minore è il rendimento volumetrico. Si cerca di ridurre tale

volume nei limiti delle tolleranze di lavorazione e della necessità di ospitare le valvole.

- il rapporto delle pressioni: maggiore è il rapporto delle pressioni, minore è il volume aspirato e quindi minore è

il rendimento volumetrico.

S OLUZIONI

Capita allora che per rapporti delle pressioni più importanti (ad esempio per divari ampi di temperatura) convenga

la compressione in due stadi, ovvero convenga agire con due compressori in serie (compressione bistadio).

Il flusso può essere reso meno discontinuo con l’inserimento di più cilindri in parallelo che garantiscono un flusso

più regolare oltre alla possibilità di parzializzare con maggiore facilità escludendo dei cilindri.

C OMPRESSORE A VITE

Sempre più spesso e particolarmente per i compressori di potenza importante si ricorre alla vite. Le tipologie sono

svariate. La più semplice da considerare è la doppia vite (maschio e femmina) realizzate in maniera tale da ingranare

l’una nell’altra con spazi definiti nel percorso dall’ingresso all’uscita.

La figura illustra bene il percorso assiale del vapore con volumi disponibili via via

più ridotti: questo implica una compressione. La portata di refrigerante è molto più

regolare che per un compressore a pistoni. L’aspirazione avviene per depressione tra i lobi;

Quando il vapore rimane intrappolato tra le tasche inizia la

compressione mediante variazione del volume della tasca;

Lo scarico avviene con espulsione pressoché totale del

vapore intrappolato con rendimenti volumetrici prossimi al

100%;

V ANTAGGI

 Elevata affidabilità: numero limitato di parti critiche in movimento; ciò comporta una minore probabilità di

guasto;

 Lunga durata;

 Regolazione in continua della capacità frigo: range di parzializzazione 10-100% mediante sistema a cassetto.

Tale sistema viene utilizzato anche alla partenza per ridurre la coppia di spunto (10%);

 Livello sonoro ridotto: minori emissioni alle basse frequenze per maggiori velocità di rotazione ed assenza di

valvole; rumore meno fastidioso;

 Resistenza alla presenza di liquido all’aspirazione.

C ( )

OMPRESSORE A PALETTE O AD ECCENTRICO

Un’alternativa per piccole taglie è il compressore a palette o ad eccentrico,

che però ha rendimento volumetrico basso: .

0.6

Importante in questo compressore è la valvola automatica di mandata. La

gittata di refrigerante non è quindi regolare anche se il funzionamento è più

dolce che nell’alternativo.

Una maggiore regolarità si raggiunge con un compressore a più palette.

C ( )

OMPRESSORE A SPIRALI ORBITANTI O AD ECCENTRICO

Un sistema di uso crescente nelle macchine frigorifere ma non ancora nell’aria compressa è lo

scroll o compressore a spirali orbitanti.

I componenti principali dello scroll sono la spirale fissa e la spirale orbitante.

Mentre la tenuta è garantita nel senso del diametro dalla levigata superficie delle spirali, è

necessario nel senso dell’altezza prevedere delle tenute adeguate.

C D

OMPRESSORI INAMICI

C C

OMPRESSORI ENTRIFUGHI

1. Il vapore a bassa velocità e pressione entra assialmente nella girante;

2. Entrato nella girante e spinto radialmente dalla forza centrifuga tra le palettature viene accelerato; parte

dell’energia cinetica si trasforma in pressione statica a cui si aggiunge un aumento di velocità impresso dalla

palettatura;

3. Il vapore esce ad altissima velocità (e maggior temperatura e pressione) con direzione tangenziale alla girante e

con velocità prossima a quella della palettatura;

4. Avviene un primo innalzamento di pressione del diffusore e quindi quello effettivo nella voluta;

5. L’aumento totale di pressione statica è somma dell’aumento di pressione e di energia cinetica.

C ONFRONTO TRA COMPRESSORI PER CAMPO DI FUNZIONAMENTO

Compressore Alternativo

Compressore a Palette

Compressore Scroll

Compressore a Vite

Compressore Centrifugo

C -

OMPRESSORI APERTI SEMI ERMETICI ED ERMETICI

I compressori possono essere:

 aperti:

il compressore è racchiuso in una carcassa con albero di trasmissione sporgente attraverso un foro chiuso con

anello di tenuta. Sono così realizzati i compressori di grossa taglia, eventualmente azionati da motori a c. i.,

ovvero i compressori che operano con R-717 che non può andare a contatto con gli avvolgimenti in rame dei

motori elettrici.

 semi-ermetici o ermetici accessibili:

il motore elettrico opera in uno spazio comune con il compressore. La carcassa è imbullonata e completamente

ispezionabile per revisioni o riparazioni: il motore elettrico è raffreddato dal gas.

 ermetici o ermetici sigillati:

compressore e motore elettrico sono assemblati in un involucro unico a campana sigillata. La revisione

richiederebbe il taglio della campana, per cui il blocco in caso di guasto va completamente sostituito.

O

RGANI DI LAMINAZIONE

T UBO CAPILLARE

Il tubo capillare, utilizzato per i piccoli impianti, è un tubo di rame del diametro di 1-2 mm e della

lunghezza di alcuni metri e che fornisce la caduta di carico necessaria per l’attrito nel deflusso.

È un sistema a basso costo di funzionamento assai affidabile (purché il circuito risulti pulito!) e

presenta il vantaggio di riequilibrare le pressioni nelle fermate, sì che il compressore riparte

praticamente a vuoto.

Il difetto principale sta nella sua passività, non potendosi adeguare al carico: deve in ogni caso variare il dislivello di

pressione perché cambi la portata attraverso il capillare.

V ALVOLA DI ESPANSIONE AUTOMATICA

La valvola di espansione automatica, utilizzata anch’essa per piccoli impianti, mantiene

costante la pressione di evaporazione, ad un valore stabilito dalla tensione della molla

antagonista, regolabile mediante una vite. Se la pressione di evaporazione dovesse

aumentare, la valvola tenderebbe a chiudere, in modo tale a aumentare l’effetto di

laminazione e così la pressione di partenza può essere ripristinata. Viceversa, se la

pressione dovesse diminuire.

È una soluzione tecnica relativamente semplice che si adatta solo nei casi in cui i carichi frigoriferi sono abbastanza

costanti.

In caso contrario essa può agire in maniera non desiderata, dal momento che un aumento del carico all’evaporatore

implica un aumento nella pressione che richiederebbe un maggiore afflusso di refrigerante che invece viene strozzato

dalla valvola con il refrigerante che evapora e poi si surriscalda in modo non controllato.

Ovvero se il carico dovesse diminuire, la valvola aprirebbe facendo affluire refrigerante che allaga l’evaporatore non

completando l’evaporazione.

V ALVOLA DI ESPANSIONE TERMOSTATICA ED ELETTRONICA

La valvola di espansione termostatica ha la caratteristica di garantire un certo grado di surriscaldamento al vapore che

esce dall’evaporatore.

Qualora per effetto di un incremento del carico aumenti il surriscaldamento all’evaporatore, per ogni pressione

aumenta la pressione sul lato superiore del soffietto: questo fa aprire la valvola consentendo l’affluenza di ulteriore

refrigerante che possa soddisfare all’accresciuto carico. Viceversa, se il carico dovesse diminuire.

Si sta ricorrendo sempre più spesso a valvole di espansione elettroniche, motorizzate e comandate da microprocessori.

R EFRIGERANTI

I refrigeranti si dividono in:

 Fluidi puri: - naturali

- sintetici

 Miscele: - sintetici

Alcuni tipi di refrigeranti sono:

 Refrigeranti NATURALI: - idrocarburi (HC) (propano R290, isobutano R600a, metano R50)

- composti inorganici (ammoniaca R717, acqua R718, anidride carbonica R744)

 Refrigeranti SINTETICI: CFC, HCFC, HFC, HFO

R

EFRIGERANTI SINTETICI

Alcuni refrigeranti sintetici sono:

 CFC (cloro-fluoro-carburi):

composti completamente alogenati ottenuti per sintesi degli idrocarburi (metano, etano, propano) in cui gli

atomi di H sono stati interamente sostituiti da atomi di Cl e F.

 HCFC (idro-cloro-fluoro-carburi):

composti di sintesi ottenuti dagli stessi idrocarburi di prima per alogenazione parziale (alcuni atomi di H presenti

nella molecola dell’idrocarburo originale non sono sostituiti da Cl e F).

 HFC (idro-fluoro-carburi):

composti di sintesi ottenuti dagli stessi idrocarburi di prima per alogenazione parziale con il solo F; il Cl è

completamente assente dalla molecola.

 HFO (idro-fluoro-olefine):

composti di sintesi ottenuti dagli stessi idrocarburi di prima per alogenazione parziale con il solo F (olefine); il Cl è

completamente assente dalla molecola. In particolare, si stanno sviluppando isomeri del propilene.

S ICUREZZA DEI REFRIGERANTI

Dati riassuntivi di alcuni tra i più comuni refrigeranti Dati riassuntivi di alcune tra le più comuni miscele

fluidi puri refrigeranti

A F T

PPUNTI DI ISICA ECNICA

TERMODINAMICA

DELL’ARIA UMIDA

A D – 2020/2021

LDEGHERI EMETRIO

TERMODINAMICA DELL’ARIA UMIDA

A RIA E ACQUA

A : miscela di gas con prevalenza di azoto (78% in volume) e ossigeno (21%), una presenza limitata di

RIA ATMOSFERICA argon e gas rari (1%) e una presenza variabile di vapore d’acqua. Ai fini della psicrometria, l’aria

atmosferica può essere descritta come un unico gas con opportune proprietà.

La presenza in proporzioni fortemente variabili del vapore d’acqua è rilevante il suo ruolo nei confronti

del benessere termoigrometrico e della qualità di svariati processi industriali.

A RIA SECCA E ARIA UMIDA

A : miscela di gas che costituisce l’aria atmosferica, escluso il vapore d’acqua.

RIA SECCA L’aria secca si può considerare come un singolo gas con massa molecolare apparente pari a