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Manuale sulla climatizzazione

Come funziona il climatizzatore:
Il ciclo frigorifero

Il climatizzatore trasferisce il calore da un luogo ad un altro. Questa funzione è svolta da un fluido refrigerante (FREON) che, circolando all'interno di un circuito e fatto cambiare di stato (evaporazione e condensazione) assorbe e cede calore per i principi fisici analizzati in precedenza.

Componenti base di un circuito frigorifero
1)
Compressore
2)
Condensatore
3)
Organo di laminazione (capillare)
4)
Evaporatore

Posizionamento

Componente

Funzione

Unità esterna Compressore
  • Fornire lavoro al ciclo
  • Comprimere il fluido ad alta pressione
Unità esterna Condensatore
  • Condensare il vapore surriscaldato
  • Cedere il calore all'ambiente esterno
Unità esterna Organo di laminazione
  • Permettere l'espansione del fluido
  • Regolare la portata del fluido
Unità interna Evaporatore
  • Evaporare il fluido
  • Assorbire calore dall'ambiente

Il ciclo frigorifero può essere suddiviso in due parti distinte:

  • Unità interna:   il liquido refrigerante assorbe calore dal locale da climatizzare (EVAPORAZIONE DEL REFRIGERANTE)

  • Unità esterna:   il liquido refrigerante cede calore all'ambiente esterno (CONDENSAZIONE DEL REFRIGERANTE).

A seconda della pressione e della temperatura di esercizio, il freon si può trovare all'interno del ciclo allo stato vapore, allo stato liquido, od in condizione di miscuglio liquido-vapore.
Una ulteriore suddivisione del ciclo frigorifero, può quindi essere fatta in:

  • zona liquido

  • zona gas

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Il compressore

Il COMPRESSORE è il cuore del sistema e la sua funzione è quella di comprimere il fluido refrigerante e portarlo ad alta pressione riscaldandolo.

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Il grande vantaggio dei compressori rotativi rispetto a quelli tradizionali è la assenza di movimenti alternativi e quindi di vibrazioni; dunque silenziosità ed assenza di vibrazioni sono le caratteristiche vincenti di questi compressori per cui il loro uso si sta diffondendo enormemente.
Vediamo ora cosa succede all'interno del compressore nel suo funzionamento e quali sono le sue particolarità.
-Questo meccanismo è nato per comprimere dei gas e quindi non può assolutamente tollerare che vi sia del liquido (i liquidi sono notoriamente incomprimibili) pena la rottura.
-E' necessario che vi sia una lubrificazione e quindi dell'olio lubrificante deve essere sempre presente in quantità opportuna.
-Di qualsiasi tipo sia il compressore, rotativo o alternativo, nel suo funzionamento espelle piccole quantità di olio insieme al gas compresso, pertanto si ha un impoverimento continuo della quantità di lubrificante presente; se questo non viene recuperato in qualche modo si arriva presto alla impossibilità di lubrificazione e fatalmente al grippaggio del compressore.
In breve le condizioni del gas all'aspirazione del compressore sono all'incirca: temperatura 7-10° C, Pressione 4-5 bar. Le condizioni allo scarico sono: temperatura 100-110° C, Pressione 15-18 bar.
Si è visto in precedenza che l'olio ha una funzione importantissima per il compressore e le sue particolari caratteristiche che lo rendono adatto al circuito frigorifero sono:
-deve rimanere fluido anche a temperature bassissime (es. -40° C)
-deve resistere fino a temperature di 120-130° C senza alterazioni
-deve essere miscibile con il fluido refrigerante in fase liquida e non deve reagire con esso
-non deve essere aggressivo con i materiali normalmente usati per la costruzione del circuito quali rame, alluminio ecc.
-deve essere elettricamente isolante poiché viene a contatto con gli avvolgimenti elettrici del motore
-non deve essere tossico o nocivo alle persone che casualmente vengano a contatto con esso.
Dunque è richiesta una gamma di prestazioni molto ampia che un normale olio lubrificante da motore o per uso automobilistico non avrà mai; infatti questi olii sono veramente speciali e non devono in alcun modo essere miscelati con lubrificanti di altro tipo.

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Il condensatore

Il gas surriscaldato ad una pressione elevata, passa dal compressore al condensatore. Il fluido refrigerante inizia a cedere calore all'aria ambiente più fredda che lo attraversa. Dapprima si ha un abbassamento della temperatura per lo smaltimento del calore sensibile, fino a raggiungere lo stato di vapore saturo (P,T cost.). A questa fase, segue la condensazione del fluido, ossia il cambiamento di stato, da vapore a liquido saturo.

VAPORE  »  LIQUIDO
CESSIONE DI CALORE ALL'AMBIENTE ESTERNO

La presenza di una parte di freon allo stato gassoso alla fine della batteria condensante, può comportare un calo della resa.
Ciò può essere dovuto a:
1) carica di freon eccessiva
2) carica di freon corretta, ma la portata di aria sulla batteria condensante è insufficiente.

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L'organo di laminazione

All'uscita del condensatore, il freon allo stato liquido passa attraverso un organo di laminazione, il CAPILLARE, costituito da un tubo di rame lungo 1-2 metri avvolto su se stesso ed avente diametro di alcuni decimi di millimetro.
Il passaggio attraverso il dispositivo di laminazione, comporta una diminuzione della pressione, senza peraltro consentire uno scambio termico con l'ambiente esterno. Il freon si porta di conseguenza ad una temperatura di evaporazione, molto inferiore alla temperatura ambiente.

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Evaporatore

Questo componente è concettualmente identico al condensatore e con funzione esattamente simmetrica; qui infatti il liquido compie la trasformazione inversa, cioè passa da liquido a vapore assorbendo calore dall'ambiente.

LIQUIDO  »  VAPORE
ASSORBIMENTO DI CALORE DALL'AMBIENTE DA CONDIZIONARE

Analogamente a quanto detto per la batteria condensante, si può riscontrare la presenza di liquido al termine della batteria evaporante.
Cause:
1) carica di freon eccessiva
2) carica di freon corretta ma la portata d'aria sulla batteria è insufficiente.
L'aria del locale da condizionare, attraversa l'evaporatore a temperature superiori rispetto a quelle del refrigerante. Come conseguenza di ciò, si realizza un brusco raffreddamento dell'aria, ed una parte del suo contenuto di umidità si condensa e si deposita sotto forma di gocce sulle alette di alluminio dell'evaporatore. Tale acqua di condensa dovrà essere raccolta e convogliata all'ambiente esterno, se necessario mediante l'ausilio di una pompa di scarico condensa.

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Funzionamento del circuito frigorifero

Il funzionamento del circuito frigorifero è semplice dal punto di vista concettuale ma lo è molto meno nella pratica e quella che segue è perciò una descrizione a grandi linee di quello che succede in un climatizzatore e non ha la pretesa di essere né precisa né esauriente. Il compressore comprime il refrigerante gassoso a bassa temperatura e pressione (es. +7° C, 5 bar) e lo porta, sempre come gas, ad alta temperatura e pressione (es. 100° C, 16 bar). Da questo punto il gas viene inviato al condensatore tramite delle tubazioni di rame ed in questo apparecchio avviene prima il raffreddamento fino a circa 40° C e poi il cambiamento di stato da gas a liquido, a spese dell'aria esterna che viene riscaldata. In questa fase viene ceduto il calore latente di condensazione ad un fluido esterno più freddo; aria nel caso nostro. Dopo il condensatore il refrigerante, ormai liquido, ma sempre ad alta pressione, passa attraverso l'organo di laminazione, che nel caso nostro è un capillare passando in questo modo da alta (circa 16 bar) a bassa pressione (circa 5 bar), ma sempre allo stato liquido.
Il liquido a bassa pressione e bassa temperatura (5 bar, +7° C) esce dalla unità motocondensante e viene portato, tramite le tubazioni di collegamento alla unità interna dove è posto l'evaporatore. In questo evaporatore avviene il fenomeno della evaporazione a bassa pressione e bassa temperatura (poco meno di 5 bar, +7° C), per passare allo stato di vapore il liquido bolle assorbendo calore, e quindi raffreddando il fluido con cui viene messo a contatto attraverso le pareti dello scambiatore (evaporatore) e cioè l'aria della stanza che viene in questo modo raffreddata. Il refrigerante deve trasformarsi completamente in gas in questo evaporatore e poi, attraverso le tubazioni di collegamento, percorse questa volta in senso contrario, torna al compressore; è immediato osservare che se tornasse del liquido al compressore avremmo una immediata e totale rottura dello stesso.

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Il funzionamento in pompa di calore

Se si rovescia ipoteticamente il climatizzatore e cioè si pone l'evaporatore all'esterno ed il condensatore all'interno, si ha un effetto raffrescante fuori ed un effetto riscaldante all'interno, giusto quello che fa comodo in inverno. (In realtà non si smonta il climatizzatore e si rimonta al rovescio, ma con una valvola a 4 vie si invertono i flussi del refrigerante).
Questa è la ragione per cui si parla anche di pompe di calore riferendosi a climatizzatori che sono in grado, nella stagione invernale di prendere una certa quantità di calore dall'aria esterna a bassa temperatura e cederla all'aria interna ad alta temperatura.

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Lo sbrinamento

Se la temperatura dello scambiatore esterno è inferiore alla temperatura di congelamento dell'acqua e siamo in presenza di alta umidità atmosferica, si può verificare la formazione di ghiaccio sullo scambiatore esterno, con ovvia riduzione dello scambio termico e quindi della resa. Comportandosi il ghiaccio da isolante termico, il fenomeno di brina viene accelerato fino al completo blocco dello scambiatore. La formazione di ghiaccio sullo scambiatore esterno, oltre a ridurre il rendimento della macchina, può inoltre comportare il rischio di danneggiamento della macchina stessa. Il ciclo di sbrinamento, consiste nell'inversione temporanea del ciclo di funzionamento (da riscaldamento a raffreddamento). In tal modo l'innalzamento della temperatura dello scambiatore esterno, che ora si comporta da condensatore, permette lo scioglimento del ghiaccio. Il controllo del ciclo di sbrinamento, viene effettuato sulla base della pressione del refrigerante o più in generale in base alla temperatura della batteria esterna.

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La resa frigorifera

Le rese frigorifere vengono riferite alle seguenti condizioni di prova:

CondizionamentoIN 27° C bs/19° C bu   OUT 35° C bs/24° C bu
RiscaldamentoIN 20° C bs/-   OUT 7° C bs/6° C bu

Le potenze vengono espresse in:
Watt = sistema internazionale
Kcal/h=frig/h = tecnico pratico
BTU/h = sistema usato dai costruttori

DA\A

WATT Kcal/h BTU/h
WATT 1 0,806 3,4
Kcal/h 1,163 1 3.95
BTU/h 0,293 0,25 1

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