Componenti Pompa di Calore

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Componenti Pompa di Calore: Quali sono e Come funzionano

Il nostro nuovo articolo del blog si focalizza sulle componenti pompa di calore, offrendo un’analisi approfondita delle tecnologie coinvolte in questo fondamentale sistema di riscaldamento e raffreddamento. Dal compressore, cuore della macchina che manipola il gas frigorigeno, alle distinzioni tra compressori a flusso intermittente e continuo, l’articolo fornisce una panoramica dettagliata delle componenti chiave.



Componenti Pompa di Calore: il Compressore

Tra i componenti pompa di calore, il compressore ha la funzione di portare il gas frigorigeno proveniente dall’evaporatore a una pressione sufficiente per consentirne la liquefazione.

Le soluzioni costruttive per realizzare un compressore sono assai varie e danno origine a una classificazione piuttosto complessa e articolata.

Una prima, fondamentale distinzione riguarda le due grandi famiglie dei compressori "a flusso intermittente" da quelli "a flusso continuo".

Nei compressori a flusso intermittente, la compressione avviene riducendo progressivamente lo spazio in cui è contenuto il fluido. Ciò può realizzarsi in due modi:

a. con un pistone che, azionato da un manovellismo, scorre all’interno di un cilindro, alternativamente nei due versi (compressori alternativi). È questa una soluzione tradizionale, ben conosciuta dal personale addetto alla manutenzione. Nonostante questo vantaggio, si tende oggi ad abbandonarla, a causa della bassa affidabilità (troppi elementi costruttivi, con conseguente elevato rischio di malfunzionamenti) e della rumorosità;

b. con elementi in rotazione, i quali, durante il moto, intrappolano il fluido e ne aumentano la pressione (compressori rotanti).

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Tra i componenti pompa di calore, nello specifico tra i compressori rotanti occorre ancora distinguere i seguenti tipi:

Componenti Pompa di Calore: Compressori a palette

Tra i componenti pompa di calore possiamo notare come su un rotore cilindrico sono montate palette scorrevoli, in grado di scomparire all’interno di fessure praticate sul rotore stesso, parallelamente al suo asse. Il rotore si trova all’interno di un cilindro, in posizione "eccentrica" (l’asse del rotore non coincide con quello del cilindro esterno).

A causa della rotazione e del contatto con la parete interna del cilindro, le palette, facenti parte dei componenti pompa di calore, sono costrette a rientrare periodicamente nelle rispettive fessure. Tra due palette adiacenti si crea quindi uno spazio di volume variabile: maggiore quando le palette si trovano lontano dalla parete; via via minore man mano che, ruotando, si avvicinano ad essa.

Il fluido da comprimere va a occupare lo spazio tra due palette quando esso è più ampio: la successiva riduzione di tale spazio dà luogo, appunto, alla compressione, una funzione naturale all’interno di componenti impianto pompa di calore.

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Componenti Pompa di Calore: Compressori a lobi

Due corpi A e B, ciascuno dotato di due lobi, ruotano in versi opposti. A causa della rotazione, ciascun lobo del corpo A viene periodicamente a trovarsi in prossimità nella nicchia formata tra i lobi del corpo B.

Naturalmente quando si parla della pompa di calore componenti, lo stesso avviene per il corpo B, i cui lobi si trovano periodicamente in corrispondenza delle nicchie di A. Anche in questo caso, quindi, tra i due corpi si crea una "camera" di volume variabile, che può essere sfruttata per la compressione, in modo analogo a quello già descritto.

Componenti Pompa di Calore: Compressori a doppia vite

Quando si parla di componenti pompa di calore, possiamo vedere ancora un caso di due diversi corpi che, ruotando, fanno variare il volume a disposizione del fluido. In questo caso, la variabilità del volume è realizzata sagomando a vite i due rotori. È questa, probabilmente, la tecnica più diffusa per realizzare compressori rotanti.

La pompa di calore componenti di diverso tipo, tra cui i compressori a flusso continuo, troviamo i compressori dinamici, in cui il fluido viene accelerato facendolo passare attraverso un elemento rotante.

L’energia cinetica che esso acquista grazie all’accelerazione viene poi trasformata in energia di pressione durante il successivo passaggio attraverso condotti formati da palette. La forma dei condotti è tale da rallentare il fluido, aumentandone la pressione a spese, appunto, dell’energia cinetica.

La direzione del fluido in moto può essere parallela all’asse del compressore, oppure perpendicolare ("radiale") rispetto ad esso. Nel primo caso si tratterà di un compressore assiale; nel secondo, di un compressore centrifugo.

In base all’uso di componenti impianto pompa di calore e in base alla realizzazione costruttiva, si distinguono tre tipi principali di compressori.

Compressore aperto: il motore e il compressore sono tra loro separati e distinti e sono componenti pompa di calore. L’albero del compressore esce dalla carcassa ed è collegato al motore, direttamente oppure per tramite di una cinghia. Il punto in cui l’albero attraversa la carcassa deve essere impermeabile al gas frigorigeno. Il motore è di solito elettrico, ma può talvolta essere a combustione.

Compressore semi-ermetico: il motore e il compressore formano un tutto unico. L’albero è collegato al motore, sotto la carcassa. Il raffreddamento del motore elettrico può realizzarsi con aria o acqua, oppure col gas frigorigeno stesso.

Compressore ermetico (da preferire, quando ciò sia tecnicamente possibile): anche in questo caso il motore e il compressore formano un tutto unico. A differenza però dell’esecuzione semi-ermetica, il compressore ermetico è montato all’interno di un involucro chiuso, saldato in modo da essere perfettamente stagno e non interferire con gli altri componenti pompa di calore. Al raffreddamento del motore provvede di solito il gas frigorigeno aspirato. In caso di guasto, è necessario sostituire l’intero compressore.

Componenti Pompa di Calore: l’Evaporatore

L’evaporatore consente al fluido frigorigeno di evaporare e quindi di sottrarre calore alla sorgente fredda.

Prima di descrivere i vari tipi disponibili di evaporatore, è opportuno accennare alle due modalità secondo cui può realizzarsi l’evaporazione, fenomeno specifico di questo componenti pompa di calore.

Normalmente le due modalità sono tra loro alternative; esistono però sistemi che presentano caratteristiche dell’una e dell’altra.

Vediamone alcune:

- Evaporazione in sistema immerso. All’uscita dell’evaporatore, uno dei principali componenti pompa di calore, il liquido refrigerante non si è completamente trasformato in gas: il gas contiene ancora goccioline di refrigerante allo stato liquido, ed è quindi "umido". La sua temperatura è quella strettamente necessaria per rendere possibile l’evaporazione. All’evaporazione è dedicata l’intera quantità di calore sottratta alla sorgente fredda.

- Evaporazione secca. All’uscita dall’evaporatore, uno dei più fondamentali componenti pompa di calore, il fluido si è completamente trasformato in gas; anche l’ultima gocciolina di liquido è scomparsa, e il gas è quindi "secco". La sua temperatura è lievemente superiore a quella strettamente necessaria per l’evaporazione (gas surriscaldato). II calore sottratto alla sorgente fredda viene impiegato in parte per l’evaporazione, e in parte dopo di essa, per surriscaldare il gas.

L’evaporazione in sistema immerso offre alcuni importanti vantaggi. Il fluido refrigerante ha una capacità di assorbire calore assai maggiore quando ha luogo un cambiamento di stato (l’evaporazione, appunto) che non quando lo stato fisico rimane invariato (surriscaldamento del vapore).

Se quindi la fase di surriscaldamento è assente, come nell’evaporazione in sistema immerso, la quantità di refrigerante necessaria è inferiore, a parità di prestazioni.

Inoltre, l’evaporazione in sistema immerso non richiede differenze di temperatura significative tra il fluido frigorigeno e la sorgente di calore. A parità di altro, quindi, il fluido evapora a temperatura più elevata rispetto al caso di evaporazione secca, con benefico effetto sul COP.

Infine, il gas saturo è più denso di quello surriscaldato, e occupa quindi un volume minore; si può quindi impiegare un compressore più piccolo e meno costoso. Questi sono alcuni dei consigli per costruire e far interagire al meglio la pompa di calore componenti.

Componenti Pompa di Calore: il Condensatore

Tra i componenti pompa di calore, il condensatore serve a liquefare il gas frigorigeno proveniente dal compressore, così da fargli cedere il calore all’impianto di utilizzazione. In alcuni casi si impiegano più scambiatori di calore, a vari livelli di temperatura.

Tale soluzione diviene economicamente interessante negli impianti di grande taglia e in quelli che presentano grandi differenze di temperatura tra la mandata e il ritorno, come per esempio le reti di teleriscaldamento, gli impianti per acqua calda sanitaria o alcune applicazioni industriali.

Nelle pompe di calore che riscaldano direttamente aria, il condensatore è solitamente costituito da una batteria di tubi di scambio termico alettati esternamente; la batteria è racchiusa in un involucro nel quale un ventilatore fa circolare l’aria da riscaldare (la circolazione naturale è anche qui limitata alle potenze molto modeste).

Anche in questo caso l’aria lambisce i tubi dall’esterno, mentre il fluido frigorigeno li percorre internamente. Se si tratta di un CFC viene impiegato il rame per i tubi e l’alluminio per le alette di raffreddamento.

Nel caso invece dell’ammoniaca, tubi e alette sono in acciaio, zincato o inossidabile. L’involucro è in lamiera di acciaio zincato o inossidabile. Per le pompe di calore che riscaldano acqua, i condensatori a piastre di acciaio sono largamente diffusi per tutte le potenze. In alternativa, si può adottare l’esecuzione a tubi concentrici (fino a circa 20 kW) o quella a fascio tubiero, per potenze più elevate. In entrambi i casi (tubi concentrici e fascio tubiero), i tubi vengono realizzati in rame o in acciaio, a seconda che si impieghi un idrocarburo idrogenato oppure, rispettivamente, ammoniaca.

Questi sono alcuni dei consigli per costruire e far interagire al meglio i componenti impianto pompa di calore.

Componenti Pompa di Calore: il Dispositivo di espansione

Tra i principali componenti impianto pompa di calore, il dispositivo di espansione (o, semplicemente, l’espansore) ha la funzione di modulare la portata del refrigerante e di abbassarne la pressione, in modo che esso possa passare al lato bassa pressione del circuito e sia in condizione, evaporando, di assorbire calore pur trovandosi a bassa temperatura.

L’espansore va ovviamente dimensionato in modo da consentire il transito di una portata di refrigerante sufficiente a soddisfare il fabbisogno di calore dell’utenza.

Nel caso dei componenti pompe di calore, si impiega spesso come espansore la valvola (termostatica oppure elettronica) che controlla il livello di surriscaldamento.

In altri casi si ricorre a saracinesche termostatiche che utilizzano, per regolare la portata, il livello di surriscaldamento del gas all’uscita dell’evaporatore; tale soluzione è quindi impiegata esclusivamente nei sistemi a evaporazione secca.

Esistono però anche saracinesche di tipo elettronico, le quali, a differenza delle prime, non richiedono alcun surriscaldamento. Le saracinesche elettroniche sono particolarmente adatte per il funzionamento a carico parziale.

Infine, i regolatori a galleggiante si basano, per la regolazione, sul livello del fluido frigorigeno in un dato punto del circuito. Possono essere ad alta o a bassa pressione (in quest’ultimo caso, sfruttano il livello del fluido refrigerante nell’evaporatore). Sono disponibili anche in esecuzione elettronica.

Componenti Pompa di Calore: i Dispositivi di sicurezza

Per il funzionamento senza rischi tra i componenti pompa di calore sono necessari, tra gli altri, alcuni dispositivi di sicurezza. Essi hanno lo scopo di evitare che i vari elementi, le condutture e i fluidi impiegati siano sottoposti a sollecitazioni troppo severe.

Il tipo e la forma di questi dispositivi sono di solito fissati per legge, in funzione della taglia e del luogo di installazione dell’impianto, dei fluidi refrigeranti utilizzati ecc.

I principali dispositivi di sicurezza sono i seguenti.

• Limitatore di pressione o il pressostato alta pressione: è destinato a proteggere il compressore e tutti i componenti alta pressione, interrompendo il funzionamento del sistema nel caso in cui la pressione assuma valori troppo elevati. È spesso richiesto che, a partire da una certa taglia di compressore o di impianto, questo apparecchio funzioni in maniera meccanica e interrompa direttamente l’alimentazione elettrica.

• Sensore di bassa pressione: ha lo scopo di proteggere il compressore e tutti i componenti a bassa pressione, interrompendo il funzionamento del sistema se la pressione diventa troppo bassa. Utile per il funzionamento senza rischi tra i componenti impianto pompa di calore.

• Pressostato per pressione differenziale di olio: interrompe il funzionamento del sistema quando, a causa di un malfunzionamento nel circuito di lubrificazione del compressore, la pressione differenziale dell’olio assume valori troppo bassi.

• Protezione di massima temperatura del gas compresso: interrompe il funzionamento in caso di riscaldamento eccessivo del gas in uscita dal compressore.

• Protezione antigelo: interrompe il funzionamento in caso di temperatura all’evaporatore troppo bassa preservando gli altri componenti pompa di calore (rischio di gelo sull’ evaporatore).

• Protezioni elettriche: proteggono i motori del compressore, dei ventilatori, delle pompe ecc.

• Valvole di sicurezza, dischi di rottura, sezioni di rottura: proteggono l’impianto contro le pressioni troppo elevate, preservando gli altri componenti impianto pompa di calore; pressioni eccessive possono manifestarsi sia durante il funzionamento sia durante l’arresto (ad esempio, in caso di incendio).

• Dispositivo per il controllo di livello del fluido refrigerante: consente di individuare tempestivamente eventuali fughe di fluido frigorigeno.

Fonte: “Geotermia e pompe di calore – L’ambiente come fonte di energia sostenibile” di Giuseppe Dell’Olio.