{"id":6136,"date":"2018-01-22T07:30:21","date_gmt":"2018-01-22T06:30:21","guid":{"rendered":"http:\/\/www.unilab.eu\/?p=6136"},"modified":"2021-04-14T16:51:50","modified_gmt":"2021-04-14T14:51:50","slug":"gestione-olio-circuito-frigorifero","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.unilab.eu\/it\/articoli\/technical-articles-it\/termodinamica-ingegneria-it\/gestione-olio-circuito-frigorifero\/","title":{"rendered":"Il dimensionamento delle tubazioni di un circuito frigorifero – Parte III: la gestione dell’olio"},"content":{"rendered":"

Tutti gli impianti frigoriferi contengono una certa quantit\u00e0 di olio utilizzato per lubrificare il compressore, raffreddare gli avvolgimenti del motore, ecc. D\u2019altra parte, \u00e8 anche noto come tutti i compressori perdano continuamente un po\u2019 di olio durante la normale attivit\u00e0. Questo perch\u00e9 l\u2019olio lascia inevitabilmente il compressore con il gas compresso; nei sistemi che utilizzano refrigeranti alogenati, il ritorno dell\u2019olio al compressore deve essere sempre garantito.<\/p>\n

Fatta eccezione per i compressori centrifughi e per i rari casi di compressori non lubrificati, il refrigerante trasporta continuamente olio nella linea di mandata. Per ridurre la quantit\u00e0 di olio circolante si possono utilizzare dei separatori ma questi, sfortunatamente, non hanno una efficienza del 100%. L\u2019olio che trova la via dell\u2019impianto deve essere gestito in modo che ne venga assicurato il ritorno. Infatti, l\u2019olio che lascia il compressore o il separatore, giunge nel condensatore e si scioglie nel refrigerante liquido; la miscela liquida passa agevolmente attraverso le linee del liquido verso l\u2019evaporatore, qui il refrigerante evapora generando una miscela ricca in olio alla parete. La concentrazione di refrigerante nell\u2019olio dipende dalla temperatura di evaporazione e dai tipi di olio e refrigerante utilizzati. La viscosit\u00e0 della miscela olio\/refrigerante \u00e8 determinata dalle condizioni operative. L\u2019olio separato all\u2019evaporatore ritorna al compressore per effetto della gravit\u00e0 o dello sforzo tangenziale esercitato su di esso dal gas.<\/p>\n

Il problema del ritorno dell\u2019olio coinvolge sia il sistema ad espansione secca, sia gli evaporatori allagati ma devono essere evidenziate diverse considerazioni. Uno dei principali problemi nei sistemi frigoriferi di bassa temperatura che utilizzano fluidi refrigeranti alogenati \u00e8 il ritorno dell\u2019olio dagli evaporatori allagati. Questo perch\u00e9 l\u2019olio si mescola bene con i fluidi alogenati alle alte temperature; man mano che la temperatura diminuisce, la miscibilit\u00e0 si riduce e un po\u2019 d\u2019olio si separa per formare uno strato ricco d\u2019olio vicino al livello superiore dell\u2019evaporatore allagato.<\/p>\n

Per questo gli evaporatori allagati possono promuovere la contaminazione del sistema perch\u00e9 per natura, il refrigerante pu\u00f2 solamente tornare al compressore come vapore saturo e (quasi) puro. Se la temperatura \u00e8 molto bassa, l\u2019olio diventa una massa altamente viscosa che impedisce ai sistemi di controllo di funzionare, blocca il passaggio del fluido e sporca la superficie di scambio. Il controllo e la gestione dell\u2019olio \u00e8 spesso la chiave per un corretto funzionamento del sistema frigorifero.<\/p>\n

In generale, gli evaporatori ad espansione secca presentano minori problemi rispetto agli evaporatori allagati perch\u00e9 il refrigerante fluisce continuamente ad una velocit\u00e0 sufficientemente elevata per spazzare l\u2019olio dall\u2019evaporatore. I sistemi a bassa temperatura che utilizzano il gas caldo per lo sbrinamento possono anche essere dimensionati per pulire l\u2019evaporatore dall\u2019olio durante lo sbrinamento stesso. Questa operazione riduce la possibilit\u00e0 che l\u2019olio ricopra la superfice dell\u2019evaporatore e ostacoli lo scambio termico.<\/p>\n

Le precedenti newsletters hanno presentato le procedure di dimensionamento delle linee del liquido, di aspirazione e scarico basate su un criterio energetico. Le linee dimensionate in questo modo possono, in alcuni casi, non essere in grado di garantire un sufficiente ritorno dell\u2019olio al compressore. Tutte le linee sono dimensionate per le condizioni di pieno carico ma gli impianti frigoriferi possono lavorare la maggior parte del tempo a carichi parziali. Il compressore pu\u00f2 variare il proprio carico in un ampio campo in modo da seguire le richieste del sistema. Un compressore pu\u00f2 parzializzare fino al 25% del capacit\u00e0 massima mentre un sistema con pi\u00f9 compressori in parallelo pu\u00f2 parzializzare fino al 12.5% o meno. Come risultato si ha che il sistema di condotti deve essere dimensionato per il ritorno dell\u2019olio nelle condizioni di minor carico senza che si realizzino eccessive perdite di carico a pieno carico.<\/p>\n

Due linee sono critiche dal punto di vista del ritorno dell\u2019olio: la linea di aspirazione e quella di mandata (detta anche del gas caldo). Pertanto, queste due linee devono essere verificate per il ritorno dell\u2019olio nelle condizioni di carico parziale; la verifica \u00e8 necessaria solamente per i tratti verticali con deflusso ascendente perch\u00e9 di solito le altre linee presentano un\u2019inclinazione di circa 0.5% verso il basso per sfruttare la forza di gravit\u00e0.<\/p>\n

Considerando la linea di aspirazione, in molti impianti l\u2019evaporatore \u00e8 posto ad un livello inferiore rispetto al compressore e per questo \u00e8 presente un condotto ascendente. L\u2019olio che circola nel sistema pu\u00f2 tornare al
\ncompressore attraverso il condotto ascendente solamente se trasportato dal gas in aspirazione o mediante sistemi ausiliari come una trappola per olio e una pompa. Le linee di mandata (gas caldo) dovrebbero essere dimensionate per evitare di intrappolare olio durante il funzionamento ai carichi parziali, prevenire che refrigerante condensato e olio ritornino al compressore ed evitare la formazione di rumore o vibrazioni eccessive dovute al deflusso del gas o al compressore o a entrambi.<\/p>\n

Le minime condizioni di trasporto dell\u2019olio sono correlate alle forze di galleggiamento (per esempio, differenza di densit\u00e0 fra liquido e vapore, e sforzo del gas). I parametri principali che controllano il trasporto dell\u2019olio sono: la velocit\u00e0 del gas, la sua densit\u00e0 e il diametro del condotto. La densit\u00e0 della miscela olio\/refrigerante gioca un ruolo minore perch\u00e9 \u00e8 abbastanza costante in un ampio campo di condizioni operative. Naturalmente, le condizioni critiche per le linee di aspirazione e mandata sono differenti ma il criterio e la procedura di verifica sono uguali.<\/p>\n

La Figura 1 riporta una tabella suggerita da ASHRAE \u2013 Handbook (2006) che traduce il criterio appena descritto in minima capacit\u00e0 frigorifera per il trasporto dell\u2019olio nelle linee di aspirazione. L\u2019olio deve tornare al compressore nelle condizioni operative che corrispondono al minimo carico e alla minore temperatura di evaporazione ai quali il compressore potr\u00e0 operare. La tabella \u00e8 basata su una temperatura di condensazione di 40 \u00b0C, dei fattori di correzioni sono suggeriti per altre temperature di condensazione (si veda la tabella); i valori si riferiscono ad olio da POE ISO32.<\/p>\n

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Figura 1: Capacit\u00e0 frigorifera minima [kW] per il trasporto dell\u2019olio in tratti ascendenti in aspirazione. R134a.<\/em><\/h5>\n

La Figura 2 riporta una tabella proposta da ASHRAE \u2013 Handbook (2006) che elenca le capacit\u00e0 frigorifere minime per il trasporto dell\u2019olio nei tratti ascendenti delle linee di mandata per R134a. I valori sono calcolati per un olio POE ISO32 alla temperatura di evaporazione di -5\u00b0C; dei fattori di correzione devono essere applicati per temperature di aspirazione diverse (vedi tabella).<\/p>\n

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Figura 2: Capacit\u00e0 frigorifera minima [kW] per il trasporto dell\u2019olio in tratti ascendenti di mandata. R134a.<\/em><\/h5>\n

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Il seguente esempio permette di spiegare l\u2019utilizzo delle tabelle riportate nelle Figure 1 e 2: determinare il diametro massimo dei tratti ascendenti delle linee di aspirazione e mandata che permettano il trasporto dell\u2019olio al minimo carico di un sistema operante a R134a di capacit\u00e0 frigorifera 130 kW, con le seguenti parzializzazioni: 25%, 50%, 75% e 100%. Si consideri una temperatura di evaporazione di 5 \u00b0C con 15 K di surriscaldamento e una temperatura di condensazione di 40 \u00b0C. Aspirazione: lunghezza equivalente 20 m con un tratto ascendente. Mandata: lunghezza equivalente 25 m con un tratto ascendente.<\/p>\n

Prima di tutto si devono dimensionare le linee di aspirazione e mandata cos\u00ec come descritto in: \u201cIl dimensionamento delle tubazioni di un circuito frigorifero – Parte II: linee di aspirazione e mandata\u201d. Le tabelle proposte per la linea di aspirazione, per una capacit\u00e0 frigorifera a pieno carico di 130 kW, suggeriscono un tubo di diametro 67 mm che presenta una variazione di temperatura di 0.72 K (accettabile). La stessa tabella, per la linea di mandata suggerisce una tubazione da 54 mm che presenta una variazione di temperatura di 0.54 K (accettabile). Considerando ora il ritorno dell\u2019olio nei tratti ascendenti, la capacit\u00e0 frigorifera minima di questo sistema si ha al 25% del carico massimo:<\/p>\n

Po,min<\/sub>= P0 <\/sub>\u30fb0,25= 32,5 kW<\/p>\n

Dalla Figura 1, un tubo di diametro 67 mm a 5 \u00b0C e 15 K di surriscaldamento, ha una minima capacit\u00e0 frigorifera che garantisce il trasporto dell\u2019olio di 31.79 kW che \u00e8 leggermente minore a 32.5 kW; la linea \u00e8 perci\u00f2 verificata. Considerando la linea di mandata, un condotto da 54 mm a 40 \u00b0C di temperatura di condensazione presenta una capacit\u00e0 frigorifera minima di 27.79 kW che \u00e8 ancora minore a quella di progetto; anche in questo caso la linea \u00e8 verificata.<\/p>\n

In questo esempio, la linea di aspirazione dimensionata mediante un criterio energetico permette il ritorno dell\u2019olio in condizioni di carico parzializzato ma qualche volta accade che si debbano utilizzare due diametri differenti per coprire tutte le capacit\u00e0. Quando un tratto ascendente \u00e8 dimensionato per garantire il ritorno dell\u2019olio alla capacit\u00e0 frigorifera minima, le perdite di carico al carico massimo potrebbero essere troppo elevate. Se un tratto ascendente ben dimensionato presenta delle perdite di carico troppo elevate al massimo carico, dovrebbe essere utilizzato un sistema con doppio tratto ascendente, come riportato in figura 3.<\/p>\n

\"unilab<\/a><\/p>\n

Il tratto ascendente A \u00e8 dimensionato per consentire il ritorno dell\u2019olio nelle condizioni di minimo carico, mentre il tratto ascendente B \u00e8 dimensionato per ottenere delle perdite di carico ottimali in condizioni di pieno carico. Una trappola per l\u2019olio \u00e8 inserita tra i due tratti; durante il funzionamento a carico parziale, la velocit\u00e0 del gas non \u00e8 sufficiente per trasportare l\u2019olio in entrambi i rami e quindi la trappola si riempie gradualmente fino a quando il tratto B non sar\u00e0 chiuso. Il gas quindi fluir\u00e0 attraverso il tratto A con una velocit\u00e0 che gli consente di spingere l\u2019olio verso il tratto orizzontale. Nelle condizioni di pieno carico, il gas spinge l\u2019olio intrappolato attivando entrambi i rami.<\/p>\n

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Bibliografia<\/strong><\/em><\/p>\n

ASHRAE Handbook, Refrigeration, 2006.<\/p>\n

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