Modulo 3. Impianti industriali
Sezione 3.3 Impianto frigorifero a compressione a tre
livelli di temperatura
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Dott. Ing. Marco Pellegrini
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna – Italy
Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale
Gruppo frigorifero a compressione
Dimensionamento elementi di impianto
Agenda
2/89
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
Compressione
Condensazione
Evaporazione
Laminazione
𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒛𝒂 𝒇𝒓𝒊𝒈𝒐𝒓𝒊𝒇𝒆𝒓𝒂𝑸𝒇 = 𝑮(𝑯𝟏 − 𝑯𝟒)
3/89
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
P(Tev=-40°C)=0,5 bar
P(Tc=50°C)=13 bar
x=0,55 (isoentalpica)
Rapporto di compressione: 13/0,5=26
X: Titolo di vapore = mvapore/(mvapore+mliquido) 4/89
Impianto frigorifero a tre livelli di temperaturaP
ress
ion
e (M
Pa)
Entalpia [kJ/kg]
P(Tev=-40°C)=1,4 bar
P(Tc=50°C)=24 bar
x=0,65-0,70 (isoentalpica)
Rapporto di compressione: 24/1,4=17,1
R507A=50%R125+50%R134AUn azeotropo si forma quando tra le molecole delle due o più
sostanze che lo compongono si manifestano fenomeni di
attrazione o repulsione dovuti alla formazione di legami
intermolecolari. A causa di tali legami il comportamento della
miscela si discosta dalle condizioni ideali.
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Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
L’indice ODP (Ozone Depletion Potential) misura le potenzialità del fluido frigorifero di
degradare l’ozono, avendo assunto come riferimento il fluido R11 (ovvero, R11 ha
ODP=1).
Una stima del valore dell’ODP di una sostanza può essere fatta sulla base della struttura
chimica e dal tempo di semivita nell’atmosfera. I composti che non possiedo atomi di
Cloro o Bromo hanno ODP uguale a zero.
CFC: clorofluorocarburi (banditi dal 1992)
HCFC: idroclorofluorocarburi (banditi dal 2014)
HFC: idrofluorocarburi (in fase di bando… perché?)
6/89
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
GWP (Global Warming Potential)
Il riferimento normativo è il REGOLAMENTO (UE) N. 517/2014 del 16 aprile 2014 sui
gas fluorurati a effetto serra e che abroga il regolamento (CE) n. 842/2006, che è il
nuovo regolamento europeo sugli F-gas, ovvero quei gas ad elevato GWP responsabili
dell’effetto serra, tra i quali figurano anche gli HFC utilizzati negli impianti frigoriferi. Tale
regolamento abroga il regolamento 842/2006 introducendo alcune novità. Di seguito i
punti salienti con riferimento agli impianti di refrigerazione:
1) La frequenza imposta per i controlli delle perdite di gas dagli impianti di
refrigerazione (e pompe di calore) non è più in funzione solo della carica di gas
dell’impianto, ma anche in funzione del tipo di gas, per cui il parametro rilevante
risulta essere espresso in termini di “tonnellate equivalenti di CO2”. Si veda al
proposito l’art. 4, comma 3.
Sono stabilite infatti frequenze di controllo diverse per diversi valori del GWP (quindi
per quantità e tipo di fluido) sotto riportati e distinti nei seguenti casi:
1. Tra 5 e 50 ton CO2 equiv: 1 controllo ogni 12 mesi
2. Tra 50 e 500 ton CO2 equiv: 1 controllo ogni 6 mesi
3. Con 500 o più ton CO2 equiv: 1 controllo ogni 3 mesi
7/89
Impianto frigorifero a tre livelli di temperaturaNel caso in cui sia installato un sistema di rilevamento delle perdite, le frequenze
dimezzano, ovvero l’intervallo di tempo raddoppia: 24 mesi nel primo caso, 12 mesi
nel secondo, sei mesi nel terzo.
Per gli impianti che ricadono nel caso n.3 (v. art. 5, comma 1) “…gli operatori […]
assicurano che l’apparecchiatura sia munita di un sistema di rilevamento delle
perdite che avverta l’operatore o un’impresa di manutenzione in caso di perdite”
e (v. art. 5, comma 3) “… gli operatori assicurano che i sistemi di rilevamento
delle perdite siano controllati almeno una volta ogni 12 mesi per accertarne il
corretto funzionamento”.
Esempio:
l’R507 ha un GWP di 3800 che significa 3,8 tonCO2 equiv/kg.
Quindi si rientra nel caso 1 per quantitativi di carica del gas refrigerante compresi tra
1,3 e 13,2 kg, nel caso 2 per quantitativi compresi tra 13,2 e 132 kg e nel caso 3 per
quantitativi uguali o superiori a 132 kg. Per tutti gli altri gas fluorurati occorre rifare il
calcolo partendo dal loro GWP. Per fornire un elemento di valutazione, si riportano i
seguenti valori:
R134a: 1,4 tonCO2 equiv/kg R407c: 1,6 tonCO2 equiv/kg
R404a: 3,9 tonCO2 equiv/kg R410a: 1,9 tonCO2 equiv/kg8/89
Impianto frigorifero a tre livelli di temperaturaLa normativa conferma la necessità di certificazione degli operatori del settore (manutentori,
riparatori, installatori) secondo i requisiti minimi stabiliti dal Reg. 2015/2066 (che sostituisce ed
estende il precedente 303/2008). Inoltre gli attuali certificati e attestati di formazione emessi a
norma del regolamento 842/2006 (abrogato), restano validi (art. 10, comma 7 e D.P.R 43/2012).
Restrizioni all’immissione in commercio.
Qui c’è la novità più rilevante, tra l’altro già da tempo preannunciata ed ora formalizzata: a
decorrere dal 1° gennaio 2020, divieto di immissione in commercio di prodotti ed
apparecchiature fisse di refrigerazione contenenti HFC con potenziale di riscaldamento
globale (GWP) pari o superiore a 2500, o il cui funzionamento dipenda dai suddetti HFC, a
eccezione delle apparecchiature concepite per raffreddare prodotti a temperature inferiori a
-50°C;
inoltre: sempre a partire dal 1 Gennaio 2020 sarà vietato l’uso di gas HFC aventi GWP maggiore di
2500 per l’assistenza e manutenzione delle apparecchiature contenenti più di 40 ton di CO2
equivalente (praticamente tutte quelle che interessano a livello industriale).
Solo in caso di assistenza e manutenzione tale divieto è prorogato al 1 Gennaio 2030 se il
gas utilizzato è rigenerato ed etichettato in conformità a quanto previsto dall’art. 12 comma
6, oppure recuperato dalla medesima apparecchiatura.
Quindi, la commercializzazione di nuovi impianti cesserà dal 2020, il rabbocco di gas e tutte
le operazioni di assistenza potranno consentire agli impianti esistenti a tale data di poter
“sopravvivere” in qualche modo per almeno altri 10 anni con le modalità che si sono di fatto
sperimentate nel passato con l’R22.
9/89
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
1) Riduzione della quantità di HFC immessa in commercio.
Il regolamento 517/2014 prevede un programma di riduzione della quantità di
HFC che potrà essere immessa in commercio all’interno della UE. Considerata la
media annuale di immissione sul mercato tra gli anni 2009 e 2012, tale valore è
stato preso come valore massimo. Tale massimo è stato tollerato fino al 2015 e
da qui in poi è iniziato un programma di riduzione che prevede di arrivare ad un
limite del 63% a fine 2020 (anno in cui cesserà la commercializzazione di
impianti con HFC aventi GWP >2500) ed infine ad un limite del 21% a fine 2030.
Ci sarà quindi una forte limitazione all’uso degli HFC senza arrivare per ora ad
un bando totale in quanto queste sostanze sono ancora ritenute insostituibili in
alcune applicazioni.
Si aggiunga a ciò il fatto che in molti Paesi europei già oggi alcuni refrigeranti come
l’R134a o l’R410 sono sottoposti ad una tassazione aggiuntiva che può arrivare fino
a circa 50 €/kg. La combinazione dei due effetti, tassazione (qualora tali misure
venissero applicate anche in Italia) e difficoltà di reperimento del gas, determinerà
negli anni un innalzamento dei costi di manutenzione derivanti e, in particolare,
anche per l’R507, ovvero il fluido che è stato comunemente usato per la tipologia di
celle di conservazione di frutta e vegetali.
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Obiettivo
Comparazione fra diversi fluidi frigoriferi (vecchi e nuovi) utilizzati nei cicli
frigoriferi.
In particolare i fluidi frigoriferi analizzati sono:
R 134A (HFC, in fase di bando)
NH3 R 717
CO2 (R 744)
R 22 (HCFC, già bandito)
si vuole evidenziare quali siano le performance del ciclo frigorifero per
ciascun fluido in termini di effetto utile (e di COP nel caso di funzionamento in
pompa di calore) considerando:
Temperatura di condensazione: 50 C;
Temperatura di evaporazione:
• -10 C (cella a 0 C – Temperatura necessaria per la conservazione delle
derrate alimentare)
• -30 C (cella a -20 C – Temperatura necessaria per la conservazione del
surgelato)
11/87
Comparazione fluidi frigoriferi
La scelta di un fluido frigorifero non è compiuta unicamente sulla base
dell’analisi delle proprietà termodinamiche del fluido ma occorre anche
considerare altre proprietà che non sono connesse direttamente al
trasferimento di calore fra cui:
Stabilità chimica;
Infiammabilità e tossicità;
Costo e disponibilità sul mercato;
Compatibilità con i materiali del compressore e con i lubrificanti utilizzati;
Compatibilità ambientale (GWP e ODP).
L’analisi delle prestazioni di un ciclo frigorifero per dato fluido viene effettuata
sui diagrammi pressione – entalpia (p – H).
12/87
Comparazione fluidi frigoriferi
Le proprietà dei fluidi frigoriferi:
Boiling point: è la temperatura di evaporazione alla pressione atmosferica. È un
parametro molto importante perché ci consente di individuare un fluido frigorifero
piuttosto che un altro in funzione della temperatura della utenza frigorifera.
Sicurezza: valutata in termini di tossicità ed infiammabilità. I refrigeranti sono
suddivisi in 6 classi in funzione della loro pericolosità (A1, A2, A3, B1, B2, B3). Il
gruppo A1 rappresenta i fluidi meno pericolosi mentre B3 è rappresentativo dei
fluidi più pericolosi
Tc = Temperatura critica;
Pc = Pressione critica
Fluido GWP ODP Tc, [C]Pc,
[bar]
Boiling point
a 1 atm, [C]Pericolosità
R 22 (HCFC) 1810 0,055 96 50 - 40,76 A1
R 134A (HFC) 1430 0 101 41 - 26,16 A1
R 717 (Ammoniaca) 0 0 132 113 - 33 B2
R 744 (CO2) 1 0 31 74 - 78,44 A1
13/87
Analisi prestazioni del ciclo
Si vogliono valutare le prestazioni di due cicli frigoriferi ad un solo stadio di
compressione utilizzati per il raffreddamento di celle frigorifere per la
conservazione di derrate alimentari (Temperatura nelle celle pari a 0 C) e per
il congelamento (Temperature nelle celle pari a – 20 C).
Il ciclo frigorifero individuato prevede una temperatura di condensazione pari
a 50 C ed una temperatura di evaporazione pari a -10 C nel primo caso e -30
C nel secondo caso.
Si considera una compressione di tipo isoentropica 𝜂𝑖𝑠 = 1
Si vuole valutare per i quattro fluidi l’effetto utile (𝜂𝑈) ed il COP dove:
𝜂𝑈 =𝑄𝑓
𝑃𝑒𝑙; 𝐶𝑂𝑃 =
𝑄𝑡ℎ
𝑃𝑒𝑙;
Q f
2
3
1
4
14/87
R22 (HCFC): Caso (Tev = -10 C, Tcond = 50 C).
Analisi prestazioni
Peva = 3,5 bar
Pcond = 19,4 bar
23
14
𝜼𝒊𝒔 = 𝟏
𝜼𝑼 = 𝟑, 𝟏𝟖
𝐶𝑂𝑃 = 𝟒, 𝟏𝟖
𝛽 = 𝟓, 𝟓𝟒
𝑥4 = 𝟎, 𝟑𝟕
15/87
R134a (HFC): Caso (Tev = -10 C, Tcond = 50 C).
Analisi prestazioni
Peva = 2 bar
Pcond = 13
bar
1
23
4
𝜼𝒊𝒔 = 𝟏
𝜼𝑼 = 𝟑, 𝟎𝟖
𝐶𝑂𝑃 = 𝟒, 𝟎𝟖
β = 𝟔, 𝟓
𝑥4 = 𝟎, 𝟒𝟑
16/87
R717 (Ammoniaca): Caso (Tev = -10 C, Tcond = 50 C).
Analisi prestazioni
1
23
4Peva = 2,9 bar
Pcond = 20,4
bar
𝜼𝒊𝒔 = 𝟏
𝜼𝑼 = 𝟑, 𝟒𝟎
𝐶𝑂𝑃 = 𝟒, 𝟒𝟎
β = 𝟕, 𝟎𝟑
𝑥4 = 𝟎, 𝟐𝟏
17/87
R 744 (CO2): Caso (Tev = -10 C, Tcond = 50 C).
Analisi prestazioni
1
23
4
Pcond = 100 bar
Peva = 26 bar
𝜼𝒊𝒔 = 𝟏
𝜼𝑼 = 𝟎, 𝟗𝟔
𝐶𝑂𝑃 = 𝟏, 𝟗𝟔
β = 𝟑, 𝟖𝟓
𝑥4 = 𝟎, 𝟕
18/87
R404a (HFC): Caso (Tev = -10 C, Tcond = 50 C).
Analisi prestazioni
1
23
4
Peva = 4,3 bar
Pcond = 22,9 bar
19
𝜼𝒊𝒔 = 𝟏
𝜼𝑼 = 𝟐, 𝟓𝟒
𝐶𝑂𝑃 = 𝟑, 𝟓𝟒
β = 5,3
𝑥4 = 𝟎, 𝟓𝟓
Analisi prestazioni del ciclo
Temperatura di evaporazione -10 C e temperatura di condensazione pari a 50 C
Il fluido che presenta le migliori performance nei due casi (chiller e pompa di calore)
risulta essere R 717 che ha un effetto utile pari a 3,40 e un COP di 4,40.
Tuttavia, occorre ricordare che tale fluido presenta il più alto grado di pericolosità dei
quattro.
20/87
Fluido
Tevaporazione [C]
/ Pevaporazione,
[bar]
Tcondensazione [C] /
Pcondensazione,
[bar]
Effetto utile,
𝜼𝑼COP
D% rispetto
al COP
massimo
R 717
(Ammoniaca)-10 / 2,9 50 / 20,4 3,40 4,40 0 %
R 22 -10 / 3,5 50 / 19,4 3,18 4,18 -5,0 %
R 134 -10 / 2 50 / 13 3,08 4,08 -7,3 %
R 744 (CO2) -10 / 26 50 /100 0,96 1,96 -55,5 %
R 404a -10 / 4,3 50 / 22,9 2,54 3,54 -19,5 %
R22 (HCFC): Caso (Tev = -30 C, Tcond = 50 C).
Analisi prestazioni
Peva = 1,6 bar
Pcond = 19,4 bar 2
3
14
𝜼𝒊𝒔 = 𝟏
𝜼𝑼 = 𝟐, 𝟎𝟎
𝐶𝑂𝑃 = 𝟑, 𝟎𝟎
β = 𝟏𝟐, 𝟏𝟑
𝑥4 = 𝟎, 𝟒𝟖
21/87
R134a (HFC): Caso (Tev = -30 C, Tcond = 50 C).
Analisi prestazioni
Peva = 0,8 bar
Pcond = 13
bar
1
23
4
𝜼𝒊𝒔 = 𝟏
𝜼𝑼 = 𝟏, 𝟖𝟗
𝐶𝑂𝑃 = 𝟐, 𝟖𝟗
β = 𝟏𝟔, 𝟐𝟓
𝑥4 = 𝟎, 𝟓𝟓
22/87
R717 (Ammoniaca): Caso (Tev = -30 C, Tcond = 50 C).
Analisi prestazioni
1
23
4Peva = 1,2 bar
Pcond = 20,4
bar
𝜼𝒊𝒔 = 𝟏
𝜼𝑼 = 𝟐, 𝟏𝟒
𝐶𝑂𝑃 = 𝟑, 𝟏𝟒
β = 𝟏𝟕
𝑥4 = 𝟎, 𝟐𝟕
23/87
R 744 (CO2) Caso (Tev = -30 C, Tcond = 50 C).
Analisi prestazioni
1
23
4
Pcond = 100 bar
Peva = 14 bar
𝜼𝒊𝒔 = 𝟏
𝜼𝑼 = 𝟎, 𝟔
𝐶𝑂𝑃 = 𝟏, 𝟔
β = 𝟕, 𝟏𝟒
𝑥4 = 𝟎, 𝟖
24/87
R404a (HFC): Caso (Tev = -30 C, Tcond = 50 C).
Analisi prestazioni
1
23
4Peva = 2,0 bar
Pcond = 22,9 bar
25
𝜼𝒊𝒔 = 𝟏
𝜼𝑼 = 𝟏, 𝟒𝟖
𝐶𝑂𝑃 = 𝟐, 𝟒𝟖
β = 𝟏𝟏, 𝟓
𝑥4 = 𝟎, 𝟔𝟓
Analisi prestazioni del ciclo
Temperatura di evaporazione -30 C e temperatura di condensazione pari a 50 C
Il fluido che presenta le migliori performance nei due casi (chiller e pompa di calore)
risulta ancora essere R 717 che ha un effetto utile pari a 2,14 e un COP di 3,14.
Tuttavia, occorre ricordare che tale fluido presenta il più alto grado di pericolosità dei
quattro.
26/87
Fluido
Tevaporazione
[C] /
Pevaporazione,
[bar]
Tcondensazione [C] /
Pcondensazione,
[bar]
Effetto utile,
𝜼𝑼COP
D%
rispetto al
COP
massimo
R 717
(Ammoniaca)- 30 / 1,2 50 / 20,4 2,14 3,14 0
R 22 - 30 / 1,6 50 / 19,4 2,00 3,00 - 4,5 %
R 134 - 30 / 0,8 50 / 13 1,89 2,89 - 8,0 %
R 744 (CO2) - 30 / 14 50 /100 0,6 1,6 -49,0 %
R 404a - 30 / 2,0 50 / 22,9 1,48 2,48 -40,1 %
Analisi prestazioni del ciclo
Confronto cicli a Teva = -10 C e Teva = -30 C
27/87
Fluido 𝜼𝑼 @ Teva = - 10 C 𝜼𝑼 @ Teva = - 30 C
D% 𝜼𝑼 =𝜼𝑼,−𝟑𝟎−𝜼𝑼,−𝟏𝟎
𝜼𝑼,−𝟏𝟎
R 717
(Ammoniaca)3,40 2,14 - 37,1 %
R 22 3,18 2,00 - 37,1 %
R 134 3,08 1,89 - 38,6 %
R 744 (CO2) 0,96 0,6 - 37,5 %
R 404a 2,54 1,48 - 41,7 %
Fluido 𝑪𝑶𝑷 @ Teva = - 10 C 𝑪𝑶𝑷 @ Teva = - 30 C D% 𝑪𝑶𝑷 =𝑪𝑶𝑷−𝟑𝟎−𝑪𝑶𝑷−𝟏𝟎
𝑪𝑶𝑷−𝟏𝟎
R 717
(Ammoniaca)4,40 3,14 - 28,6 %
R 22 4,18 3,00 - 28,2 %
R 134 4,08 2,89 - 29,2 %
R 744 (CO2) 1,96 1,6 - 18,4 %
R 404a 3,54 2,48 - 29,9 %
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
Impianto di refrigerazione per derrate alimentari
L'impianto frigorifero è stato realizzato per la refrigerazione di celle a
diverse temperature:
- 1 cella a -30°C (abbattitore di temperatura e surgelamento);
- 1 cella a -20°C (conservazione surgelati);
- 7 celle a 0°C.
Le prime due celle sono legate ad attività di business marginali, rispetto
alle quali occorre valutare le soluzioni impiantistiche più adatte.
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P=1,3 bar (Tev=-40 C)
P(Tc=50°C)=23 bar
x=0,70 (isoentalpica)
Rapporto di compressione: 23/1,3=17,7
R 404 A= R143A + R125 + R134A
Dimensionamento elementi di impianto
P=4,5 bar P(Tev=-10 C)
29/87
P=2 bar P(Tev=-30 C)
X=0.65
X=0.55
Impianto frigorifero a tre livelli di temperaturaLay-out celle frigorifere Celle a temperatura minima 0°C: conservazione di vegetali (frutta, verdura, fiori)
Celle a temperatura
minima -20°C e -30°C:
abbattitori di temperatura
e conservazione surgelati
30/89
Lay-out celle frigorifere
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
Ogni cella ha uno o più evaporatori.
La mandata è una sola, con
condensazione a 50°C (punto 3 nel
diagramma p-H di slide 3).
Il ritorno è vapore saturo (punto 1 nel diagramma p-H di
slide 2), differente a seconda della tipologia di cella.
31/89
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
Condensazione
Ricevitore di liquido
Compressione
Laminazione - Evaporazione
P&ID
32/89
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
Compressione
dagli evaporatori
di alta pressione
dall’evaporatore di
media pressione
dall’evaporatore
di bassa
pressione
al recuperatore
e condensatori
ai compressori di alta
pressione
dai
condensatori
agli
evaporatori
Al
desurriscaldatore
Alla aspirazione dei compressori di alta pressione è presente un pressostato
di minima, mentre alla mandata è presente un pressostato di massima.
33/89
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
al separatore di liquido
agli evaporatori
Ricevitoredi liquido
Condensazione
dai compressori
al desurriscaldatore
34/89
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
da
i c
on
de
ns
ato
ri
al compressore
di bassa di
pressione
Laminazione - Evaporazione
al c
om
pre
ss
ore
di
me
dia
pre
ss
ion
e
ai c
om
pre
ss
ori
di
alt
a p
res
sio
ne
35/89
Elettrovalvola Valvola di
intercettazione
Filtro
Valvola di
intercettazione
Orificio
taratoEvaporatore
Termostato
ambiente
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
Laminazione - Evaporazione
L’elettrovalvola si apre e si chiude in funzione della temperatura rilevata dal
termostato ambiente posizionato nella cella e che comanda anche
l’azionamento dei ventilatori degli evaporatori.
Evaporatore
Termostato
ambiente
36/89
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
La funzione del desurriscaldatore
Il fluido frigorifero in uscita dal compressore di bassa pressione (Cn+2) viene inviato ad un desurriscaldatore (DS). Se le valvole
manuali VI 1 e VI 3 sono aperte e la VI 2 è chiusa, allora il fluido frigorifero viene compresso sino alla pressione di evaporazione dei
compressori di alta pressione (ovvero pev corrispondente a Tev=-10°C) e viene desurriscaldato per tramite di uno scambio a miscela
con il ritorno dal ricevitore di liquido in uscita dal condensatore, opportunamente laminato. In questo modo, di fatto, la compressione
dalla pressione di evaporazione più bassa alla pressione di condensazione viene frazionata tra compressore di bassa pressione e
compressori di alta pressione. Qualora fosse in funzione il solo compressore di bassa pressione, le valvole VI 1 e 3 vanno chiuse,
mentre va aperta la valvola VI 2: in questo modo il compressore di bassa pressione lavora con la mandata direttamente collegata al
condensatore.
1
2
3
37/89
Elettrovalvola Valvola di
intercettazione
Filtro
Orificio
taratoEvaporatore
Termostato
ambiente
Impianto frigorifero a tre livelli di temperatura
La funzione del desurriscaldatore
Dal
condensatore
Cella T=-30°C
COMPRESSORE
Filtro
Dal
condensatoreDESURRISCALDATORE
Nel caso della cella a bassa pressione (T ambiente = -30°C) il termostato ambiente della cella
frigorifera comanda anche l’accensione/spegnimento del compressore e l’apertura/chiusura
della elettrovalvola che mette in collegamento il ritorno del condensatore con il
desurriscaldatore.38/89
Impianto frigorifero a tre livelli di temperaturaLa funzione del desurriscaldatore - generalità
L’applicazione del desurriscaldatore nel caso in oggetto serve a limitare la
temperatura in ingresso al compressore di alta pressione, onde evitare
temperature di fine compressione troppo elevate, in grado di complicare la
gestione del processo di condensazione.
39/89
In altre tipologie di impianto (ad esempio,
impianto per la produzione di vapore) il
desurriscaldatore può essere utilizzato i) per
migliorare l’efficienza di scambio termico
(utilizzo vapore più vicino alla curva di
saturazione) oppure ii) per controllare
surriscaldamenti imprevisti prodotti da
diminuzioni di pressione in linea. In questa
tipologia di impianti si possono adottare
soluzioni più sofisticate, che prevedono
anche il controllo della temperatura in uscita
dal desurriscaldatore agendo sulla
regolazione della portata di condensa in
ingresso al sistema.
Gruppo frigorifero a compressione
Dimensionamento elementi di impianto
Agenda
40/89
Dimensionamento elementi di impianto
P&ID semplificato
ELETTROVALVOLA
41/89
Dimensionamento elementi di impianto
Il compressore
Compressore alternativo semiermetico ”BITZER Ecoline”
Marca: Bitzer
Modello: 4JE-22Y
42/87
Dimensionamento elementi di impianto
Il compressore alternativo - tipologie
Compressore ermetico: contiene, all'interno di un unico involucro
metallico sigillato, le parti meccaniche, il motore elettrico ed il
lubrificante.
Compressore semiermetico: blocco motore e blocco compressore sono
direttamente accoppiati e imbullonati tra loro formando un unico
involucro, che però è accessibile al suo interno.
Compressore aperto: gruppo compressore e gruppo motore sono due
unità completamente distinte tra loro.
43/87
Dimensionamento elementi di impianto
Il compressore – fluido R134a – Motore 1, 2 e 3
Il compressore può essere fornito con tre diverse motorizzazioni:
- Motore 1: per temperature elevate e applicazioni con pompe di calore per temperature di
condensazione fino a 85°C.
- Motore 2: per temperature di condensazione medie, fino a 70°C.
- Motore 3: per temperature di condensazione medie e per utilizzi con frequenza fino a 70 Hz.
Come espresso da EN12900, le performance del
compressore sono state valutate considerando:
- Temperatura del gas ad inizio compressione: 20°C
- Condensazione fino a liquido saturo (e non
sottoraffreddato)
- Motore 50 Hz
44/87
Dimensionamento elementi di impianto
Il compressore – fluido R404A – Motore 1 e 2
3.000 €
(Fornitura)[dato aggiornato al 2017]
EER=4,860/5,240=0,93(!)
(-54%)EER=10,35/8,13=1,27
(-38%)
EER=28,85/14,13=2,04
EER= Energy Efficiency Ratio: effetto utile
Come espresso da EN12900, le performance del
compressore sono state valutate considerando:
- Temperatura del gas ad inizio compressione: 20°C
- Condensazione fino a liquido saturo (e non sottoraffreddato)
- Motore 50 Hz
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P(Tev=-40°C)=1,3 bar
P(Tc=50°C)=23 bar
x=0,70 (isoentalpica)
Rapporto di compressione: 23/1,3=17,7
R 404 A= R143A + R125 + R134A
Dimensionamento elementi di impianto
P=4,5 bar (P(Tev=-10°C))
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Dimensionamento elementi di impianto
P&ID semplificato
ELETTROVALVOLA
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Dimensionamento elementi di impiantoL’olio di lubrificazione
Compito dell’olio presente nel compressore è quello di:
i. lubrificare le parti in movimento del compressore,
ii. ridurre il calore prodotto dall’attrito delle parti in movimento del compressore a pistoni.
L’olio non rimane confinato nel carter del compressore e una parte è trascinata nel circuito
frigorifero. L’olio espulso dal compressore circola con il fluido frigorifero e provoca i
seguenti effetti negativi:
a. riduzione del livello dell’olio nel carter, con possibili danni meccanici,
b. alterazione della qualità, delle proprietà fisiche e termodinamiche del fluido frigorigeno,
c. riduzione delle prestazioni degli scambiatori (evaporatori e condensatori), la perdita
può raggiungere anche il 30% in evaporatori con superfici di scambio alettate,
d. l’olio trattenuto nelle trappole e nelle zone a bassa velocità può ritornare bruscamente e
provocare un colpo di liquido, con danni spesso irreversibili.
Sono quindi presenti due circuiti dell’olio: il primo interno al compressore finalizzato alla
lubrificazione dello stesso, il secondo esterno al compressore e finalizzato alla separazione
dell’olio dal fluido frigorifero di processo.
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Dimensionamento elementi di impianto
Circuito olio
Ricevitore
d’olio
Separatore
d’olio
Linea di
aspirazione
Compressore
Indicatore
olio
Filtro a
rete olio
Regolatore
d’olio
Indicatore olio: gli indicatori di liquido permettono di controllare il regolare defluire dell’olio al carter dei
compressori stessi.
Filtro a rete: all’interno i filtri sono dotati di un cestello di rete di acciaio inossidabile austenitico, AISI
304, con un’ampia superficie filtrante. I filtri a rete non sono pulibili.
Separatore olio: vedi slide successive «separatore».
Indicatore
olio
Linea di
mandata
A recuperatore
calore e
condensatori
Olio
Olio
Olio
Pd Pd Pd
Pd = Pressostato differenziale su carter
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Lubrificazione
Dimensionamento elementi di impianto
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Circuito dell’olio (interno al compressore)
La pompa (E) preleva l’olio dal carter tramite il filtro a rete di aspirazione (G) e lo rinvia in
pressione al circuito tramite il filtro (H) di mandata (filtro a carta). Da qui l’olio scorre
all’interno dell’albero, provvisto di apposito condotto (C) per il flusso dell’olio nella zona
cuscinetti. Anche le bielle sono munite di condotto dell’olio attraverso il quale l’olio scorre
verso i cuscinetti di testa. La lubrificazione del cilindro è assicurata dall’olio che viene
spinto fuori dai cuscinetti e spruzzato lungo le pareti del cilindro stesso. Il condotto dell’olio
all’interno dell’albero del compressore termina nel corpo della tenuta rotante.
Poiché oltre a svolgere la funzione di
lubrificante l’olio serve anche da
raffreddante, specialmente per la tenuta
rotante, la quantità di olio che circola
all’interno del compressore è
notevolmente maggiore rispetto a quella
richiesta per la sola lubrificazione. L’olio
in eccesso viene ricondotto, tramite un
condotto esterno (A), all’estremità lato
pompa del carter e da qui, via un
condotto interno, ritorna al pozzetto
dell’olio. Durante questo processo, il
ricircolo dell’olio è visibile sulla spia olio
(F).
Dimensionamento elementi di impiantoPressostato differenziale Pd
La pompa di circolazione dell’olio (solitamente a ingranaggi) del compressore alternativo
fornisce una prevalenza che dipende dalle resistenze del circuito e dalla densità fluido
pompato. Se la pompa aspira olio e gas, la densità del fluido elaborato è inferiore, la
prevalenza fornita dalla pompa cala e il pressostato differenziale pd lancia un allarme.
La pressione all’interno del carter non è nota: la pressione del carter è intermedia tra la
pressione di aspirazione e quella di mandata ed il suo valore assoluto varia a seconda dello
stato delle tenute, del grado di usura,… Quella che si misura, quindi, non è la pressione
assoluta nel carter, ma la differenza tra la pressione a valle della pompa e la pressione nel
carter.
La funzione del pressostato differenziale pd è dunque quella di rilevare la mancanza di olio.
Dovendo intervenire solo in caso di emergenza, il riarmo è manuale.
In queste condizioni, all’avviamento (i.e. pompa olio ferma), risultando nulla la pressione
differenziale, il motore non potrebbe partire. E’ necessario quindi utilizzare un pressostato
differenziale collegato ad un relay ritardato.
La taratura del pressostato è operazione delicata perché occorre valutare preliminarmente
l’entità della riduzione del differenziale di pressione indotto dall’incremento di temperatura
dell’olio (meno viscoso, quindi minore resistenza al pompaggio).
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Dimensionamento elementi di impianto
Separatore olio
• Intercetta l’olio trascinato dal gas
compresso e, restituendolo con regolarità
al carter della macchina, concorre ad
assicurare l’efficace lubrificazione degli
organi in movimento del compressore.
• Eliminando o riducendo il film d’olio sulle
superfici di scambio del condensatore e
dell’evaporatore, mantiene al valore
atteso il coefficiente di trasmissione
termica di tali apparecchi.
• Il separatore d’olio, smorzando le pulsazioni
delle valvole del compressore alternativo,
riduce la rumorosità degli impianti con
compressore aperto o semi ermetico.
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1. Galleggiante 2. Contenitore dell’olio 3. Otturatore 7. Orificio 8. Attacco ritorno olio (1/4in./6mm
cartella/brasare) 10. Raccordo 12. Raccordo ingresso refrigerante/olio 13. Raccordo uscita
refrigerante 15. Separatore olio 17. Fascia di fissaggio
N.B. Il vapore surriscaldato lambendo l’involucro del contenitore dell’olio si raffredda.
Dimensionamento elementi di impianto
Separatore olio
Refrigerante/olio
Olio
Refrigerante
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Dimensionamento elementi di impianto
Separatore olio – dettaglio costruttivo scarico olio
Otturatore
(azionato dal
galleggiante)
Orificio
Attacco ritorno olio
(1/4in./6mm
cartella/brasare)
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Dimensionamento elementi di impianto
Separatore olio
150 €
(fornitura)[dato aggiornato al 2017]
La selezione del separatore dell’olio viene fatta in funzione
delle caratteristiche del compressore, scegliendo un separatore
che abbia i) dimensione in ingresso compatibile con lo scarico
del compressore e che ii) possa sopportare la portata di
refrigerante in condizioni nominali. Ciò significa, in particolare,
verificare la velocità di attraversamento della sezione filtrante e
verificare che questa non superi valori di riferimento
usualmente impiegati nel settore (0,4 m/s, altrimenti si corre il
rischio di generare turbolenze indesiderate).
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Dimensionamento elementi di impianto
P&ID semplificato
ELETTROVALVOLA
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Dimensionamento elementi di impianto
Ricevitore olio
57/87
Dimensionamento elementi di impianto
Ricevitore olio
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Dimensionamento elementi di impianto
P&ID semplificato
ELETTROVALVOLA
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Dimensionamento elementi di impianto
Condensatore ad aria 5.500 €
(Fornitura)[dato aggiornato al 2017]
60/87
Dimensionamento elementi di impianto
Condensatore ad aria (Differenza tra T condensatore e T ambiente)
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Dimensionamento elementi di impianto
P&ID semplificato
ELETTROVALVOLA
62/87
Ricevitore orizzontale
Dimensionamento elementi di impianto
Peso 45,5 kg Filetto di connessione/ -flangia1 3/4'' - 12 UNF
Larghezza totale 1664 mm Uscita connessione FL 28mm - 1 1/8''
Profondità totale 272 mm Filetto di connessione/ -flangia1 3/4'' - 12 UNF
Altezza totale 303mm Manometro 7/16'' 20UNF
Capacità serbatoio 54,0 l Connessione per valvola riduttrice di pressione 1 1/4''-12UNF
Max carica di refrigerante 90% a 20°C. 20°C Adattatore per valvola riduttrice di pressione Option
R22 58,8 kg Controllo di minimo livello Option
R134a 59,6 kg Controllo di massimo livello Option
R407C 56,3 kg Collaudo conforme a PED 97/23/EG Standard
R404A/R507A 51,9 kg Omologazioni speciali (su richiesta) Option
Ingresso connessione KL 28mm - 1 1/8''
600 €
(Fornitura)[dato aggiornato al 2017]
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Caratteristiche fluido frigorifero condensato
T=50°C
R134a (pc=13,2 bar)
Densità: 1.102 kg/m3
Viscosità dinamica: 0,14 mPa*s (acqua @20°C a 1 mPa*s)
R507a (pc= circa 24 bar)
Densità: 917 kg/m3
Viscosità dinamica: 8,8 mPa*s
R404a (pc= circa 23,1 bar)
Densità: 891 kg/m3
Viscosità dinamica: 0,09 mPa*s
Viscosità cinematica = Viscosità dinamica/Densità [m2/s] Stokes=10-4 m2/s
Dimensionamento elementi di impianto
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ELETTROVALVOLA
Dimensionamento elementi di impianto
P&ID semplificato
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Dimensionamento elementi di impianto
Filtro
Il filtro meccanico FA con inserto intercambiabile in acciaio inox si usa per refrigeranti
fluorinati, ammoniaca, acqua, salamoia, olio e gas.
66/87
Dimensionamento elementi di impianto
P&ID semplificato
ELETTROVALVOLA
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Dimensionamento elementi di impianto
1- Valvola solenoide ad azionamento diretto e orificio tarato
Valvola solenoide Danfoss tipo EVR 2 ad azionamento diretto
http://choose.danfoss.com/education/training-animations/#/
50 €
(Fornitura)[dato aggiornato al 2017]
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Dimensionamento elementi di impianto
1- Valvola solenoide ad azionamento diretto e orificio tarato
Valvola solenoide Danfoss tipo EVR 2 ad azionamento diretto
1. 2.
3.
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Dimensionamento elementi di impianto
1- Valvola solenoide ad azionamento diretto e orificio tarato
Valvola solenoide Danfoss tipo EVR 2 ad azionamento diretto
Le EVR 2 – EVR 3 sono ad azionamento
diretto: ovvero si aprono direttamente per
un flusso pieno quando l’armatura si
sposta in alto nel campo magnetico della
bobina. Questo significa che le valvole
possono funzionare con una pressione
differenziale minima di 0 bar.
Valvole con servocomando
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Dimensionamento elementi di impianto
2- Valvola solenoide con servocomando e orificio tarato
Valvola solenoide Danfoss tipo EVR 25 con servocomando
http://choose.danfoss.com/education/training-animations/#/ 71/87
Dimensionamento elementi di impianto
2- Valvola solenoide con servocomando e orificio tarato
Valvola solenoide Danfoss tipo EVR 25 con servocomando
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Dimensionamento elementi di impianto
2- Valvola solenoide con servocomando e orificio tarato
Valvola solenoide Danfoss tipo EVR 25 con servocomando
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Dimensionamento elementi di impianto
2- Valvola solenoide con servocomando e orificio tarato
Valvola solenoide Danfoss tipo EVR 25 con servocomando
L’attivazione del solenoide non è sufficiente
a realizzare la piena portata: difatti, fintanto
che la pressione al di sotto del pistone non
vince la spinta della molla pS sommata alla
contropressione p2, l’otturatore principale
rimane chiuso, come in figura.
p1
p2
p1>p2
ma p1<p2+pS
p3
pS
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Dimensionamento elementi di impianto
2- Valvola solenoide con servocomando e orificio tarato
Valvola solenoide Danfoss tipo EVR 25 con servocomando
La pressione differenziale presente sul pistone
sposta il diaframma lontano dall’orificio principale,
aprendolo e consentendo l’ingresso del flusso
pieno. Quindi, una certa pressione differenziale
minima p1-p2 è necessaria per aprire la valvola e
mantenerla aperta.
p1
p2
p1>p2
e p1>p2+pS
p3
pS
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Dimensionamento elementi di impianto
2- Valvola solenoide con servocomando e orificio tarato
Valvola solenoide Danfoss tipo EVR 25 con servocomando
Quando il solenoide viene diseccitato, si chiude il
passaggio attraverso il pilota e la pressione in p2
tende ad aumentare.
p1
p2
p1>p2
e p1>p2+pS
p3
pS
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Dimensionamento elementi di impianto
2- Valvola solenoide con servocomando e orificio tarato
Valvola solenoide Danfoss tipo EVR 25 con servocomando
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Dimensionamento elementi di impianto
1 & 2- Valvola solenoide e orificio tarato
Valvole solenoide Danfoss tipo EVR 2 e EVR 25
Le EVR 6-25 NC sono disponibili con
azionamento manuale dello stelo
opzionale per forzare manualmente
la valvola NC in posizione di apertura
quando la bobina non è eccitata.
78/87
Dimensionamento elementi di impianto3- Valvola solenoide con orificio tarato intercambiabile
La valvola presenta le medesima caratteristiche viste in precedenza, con la sola
differenza che nella sezione di passaggio della valvola è posizionato l’orificio
tarato che realizza la laminazione. In funzione della scelta dell’orifizio, la valvola
realizza prestazioni differenti.
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Dimensionamento elementi di impianto
4- Valvola solenoide elettronica con orificio tarato
Una logica di tipo on-off più sofisticata si può ottenere tramite la modulazione del
tempo d’apertura della valvola solenoide, che viene accoppiata ad una bobina
pilotata da un dispositivo di regolazione di tipo elettronico. In base ai valori di
pressione e temperatura rilevati dal dispositivo di regolazione elettronico alla
mandata dell’evaporatore, il sistema regola il tempo di apertura della valvola.
Per un’efficace regolazione la valvola deve essere dimensionata in modo
tale che, nelle condizioni di carico più impegnative, possa fornire una
quantità di refrigerante comunque sufficiente a far fronte alla richiesta.
L’utilizzo di un regolatore elettronico consente di avere un dosaggio più
preciso di refrigerante conseguendo un rendimento maggiore nel tempo (e
quindi una diminuzione sensibile dei costi di gestione delle macchine) e anche
una risposta più pronta alle variazioni di carico dell’evaporatore.
500 €
(Fornitura)[dato aggiornato al 2017]
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Dimensionamento elementi di impianto
5- Valvola termostatica con orificio tarato
L’elemento termostatico è il motore della valvola; un bulbo sensibile è collegato al gruppo
diaframma mediante un tubo capillare lungo 1,5 metri che trasmette la pressione presente
all’interno del bulbo alla camera superiore del gruppo diaframma. La pressione presente all’interno
del bulbo è direttamente correlata alla temperatura. Quando aumenta la pressione della carica
termostatica il diaframma si deforma, trasferendo questo spostamento all’otturatore che si
allontana dalla sua sede e permette al liquido di passare. Una molla di contrasto agisce sotto il
diaframma ed il suo carico può essere variato con una vite di regolazione laterale (asta di
regolazione).
81/87
Dimensionamento elementi di impianto
Il gruppo orificio intercambiabile assicura un’ampia gamma di potenzialità. La molla tiene
l’otturatore stabilmente a contatto con la sede per minimizzare il trafilamento attraverso la valvola;
per garantire una chiusura totale è però richiesta l’installazione di una valvola solenoide a monte
della valvola d’espansione termostatica. La valvola solenoide è comandata dallo stato on-off del
compressore.
Quindi: con la valvola di espansione termostatica in realtà non sostituisco l’elettrovalvola, ma la
modalità di regolazione (non più centralina elettronica, ma bulbo termosensibile).
5- Valvola termostatica con orificio tarato
82/87
Dimensionamento elementi di impianto
5- Valvola termostatica con orificio tarato
Attenzione! Nel caso di una riduzione di carico importante
nell’attraversamento dell’evaporatore, il surriscaldamento può risultare
insufficiente ad evitare l’ingresso di goccioline di liquido nel
compressore, in quanto la diminuzione di pressione rispetto alla
pressione di evaporazione può far si che la temperatura impostata ricada
all’interno della «campana» liquido-vapore del fluido refrigerante.
La soluzione di tale inconveniente si chiama valvola termostatica a
equalizzazione esterna di pressione.
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Dimensionamento elementi di impianto
6- Valvola termostatica con orificio tarato ed equalizzazione esterna della
pressione
1. Elemento termostatico
2. Gruppo otturatore con orifizio tarato
3. Corpo valvola
4. Vite di regolazione
5. Attacco equalizzatore esterno
In questo caso non c’è legame tra uscita della valvola e camera situata al di sotto della
membrana. Un collegamento esterno permette di portare al di sotto della membrana la
pressione che regna alla mandata dell’evaporatore. In questo modo, la differenza di
pressione tra ingresso e uscita dell’evaporatore (variabile in funzione della perdita di
carico) non può più influenzare il funzionamento della valvola.
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Dimensionamento elementi di impianto
6- Valvola termostatica con orificio tarato ed equalizzazione esterna della
pressione120 €
(Fornitura)[dato aggiornato al 2013]
85/87
Dimensionamento elementi di impianto
6- Valvola termostatica con orificio tarato ed equalizzazione esterna della
pressione
Controllo di temperatura
Controllo di pressione
Esempio di applicazione: evaporatore a iniezione
multipla con distributore di liquido
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Dimensionamento elementi di impianto
6- Valvola termostatica con orificio taratoTR: Ton of RefrigerationIt is defined as the heat of fusion absorbed by
melting 1 short ton (i.e. 2000 pounds) of pureice at 0°C in 24 hours. 1 TR = circa 3,5 kW.
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Dimensionamento elementi di impianto
P&ID semplificato
ELETTROVALVOLA
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Dimensionamento elementi di impianto
Evaporatore
3.000€
(Fornitura)[dato aggiornato al 2017]
89/87
Dimensionamento elementi di impianto
Evaporatore
Batteria alettata
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Dimensionamento elementi di impianto
Aeroventilatore
(1) Impiegare valvola
termostatica con
equalizzatore di
pressione esterno
(2) Capacità nominali alle
condizioni pratiche di
utilizzo in atmosfera
umida. Refrigerante
R404A; T aria in
ingresso 0°C,
Tevap -8°C
(3) Capacità standard in
atmosfera secca,
classe di test SC2,
refrigerante R22; T aria
in ingresso 0°C,
Tevap -8°C.
(4) La “freccia d’aria” o “air
throw” è la distanza
dall’aeroventilatore alla
quale la velocità
dell’aria misurata al
centro della corrente è
al minimo di 0,5 m/s.
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Dimensionamento elementi di impianto
Aeroventilatore
92/87
Dimensionamento elementi di impianto
Aeroventilatore
Diametro ventilatore:
4= 450 mm
Numero di
motoventilatori
Riferimento
scambiatore
Peso alette
Nome modello
Differenza fra T in cella
e T evaporazione
Voltaggio, fase, frequenza
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Dimensionamento elementi di impianto
* unitario (€ netto dell’IVA)
Componente Prezzo * Componente Prezzo *
Compressore € 3.000 (20%) Desurriscaldatore 50kW € 900 (6%)
Separatore olio € 150 Ricevitore liquido € 600 (4%)
Serbatoio olio € 200 Filtro desidratore € 80
Rubinetto olio € 10 Filtro rete olio € 30
Valvola a pressionedifferenziale
€ 20 Valvola sicurezza € 20
Valvola NR € 20Valvola bypassper intercettazione
€ 50
Filtro olio € 30Pressostato per refrigerazione
€ 50
Controllo livello olio con allarme
€ 200 Pressostato differenziale € 160
Rubinetto olio € 15 Manometro olio € 15
Centralina elettrovalvola € 500 Aeroevaporatore € 3.000 (20%)
Elettrovalvola € 50 Condensatore ad aria € 5.500 (38%)
TOT: 14.600€94/87