This guide focuses on systems that use Refrigerant-22 (R-22). While the general requirements are the same for systems that use other refrigerants, velocities and pressure drops will differ.
L'esame dei cambiamenti fisici subiti dal refrigerante all'interno del ciclo di refrigerazione aiuterà a dimostrare alcuni requisiti che la progettazione delle tubazioni deve soddisfare.
Refrigerazione a compressione di vapore
Figure below illustrates a basic vapor-compression refrigeration cycle. Refrigerant enters the evaporator in the form of a cool, low-pressure mixture of liquid and vapor (A). Heat is transferred to the refrigerant from the relatively warm air that is being cooled, causing the liquid refrigerant to boil. The resulting refrigerant vapor (B) is then pumped from the evaporator by the compressor, which increases the pressure and temperature of the vapor.
The resulting hot, high-pressure refrigerant vapor (C) enters the condenser where heat is transferred to ambient air, which is at a lower temperature than the refrigerant. Inside the condenser, the refrigerant vapor condenses into a liquid and is subcooled. This liquid refrigerant (D) then flows from the condenser to the expansion device. This device creates a pressure drop that reduces the pressure of the refrigerant to that of the evaporator. At this low pressure, a small portion of the refrigerant boils (or flashes), cooling the remaining liquid refrigerant to the desired evaporator temperature. The cool mixture of liquid and vapor refrigerant (A) enters the evaporator to repeat the cycle.
Collegamento delle tubazioni del refrigerante
Questi singoli componenti sono collegati tramite tubazioni del refrigerante. La linea di aspirazione collega l'evaporatore al compressore, la linea di scarico collega il compressore al condensatore e la linea del liquido collega il condensatore al dispositivo di espansione. Il dispositivo di espansione è tipicamente posizionato alla fine della linea del liquido, all'ingresso dell'evaporatore.
Nella progettazione delle tubazioni del refrigerante c'è molto di più che spostare il refrigerante da un componente all'altro. Indipendentemente dall'attenzione posta nella selezione e nell'applicazione dei componenti del sistema di refrigerazione, si possono riscontrare problemi operativi se le tubazioni di interconnessione sono progettate o installate in modo improprio.
Requisiti di tubazioni del refrigerante
- Restituire l'olio al compressore
- Assicurarsi che solo il refrigerante liquido entri nel dispositivo di espansione
- Ridurre al minimo la perdita di capacità del sistema
- Ridurre al minimo la carica di refrigerante
Quando un sistema di refrigerazione include tubazioni del refrigerante assemblate sul campo per collegare due o più componenti, gli obiettivi primari della progettazione sono generalmente quelli di massimizzare l'affidabilità del sistema e ridurre al minimo i costi di installazione. Per raggiungere questi due obiettivi, la progettazione delle tubazioni di interconnessione del refrigerante deve soddisfare i seguenti requisiti:
- Restituire l'olio al compressore alla velocità adeguata, in tutte le condizioni operative
- Ensure that only liquid refrigerant (no vapor) enters the expansion device
- Ridurre al minimo la perdita di capacità del sistema causata dalla caduta di pressione nelle tubazioni e negli accessori
- Ridurre al minimo la carica totale di refrigerante nel sistema per migliorare l'affidabilità e ridurre al minimo i costi di installazione
Il primo requisito è garantire che l'olio ritorni al compressore in tutte le condizioni operative. L'olio viene utilizzato per lubrificare e sigillare le parti mobili di un compressore. Ad esempio, il compressore scroll mostrato nella Figura sopra utilizza due configurazioni scroll, accoppiate faccia a faccia, per comprimere il vapore refrigerante. Le punte di queste spirali sono dotate di guarnizioni che, insieme ad un sottile strato di olio, impediscono al vapore refrigerante compresso di fuoriuscire attraverso le superfici di accoppiamento. Allo stesso modo, anche altri tipi di compressori fanno affidamento sull’olio per la lubrificazione e per fornire una tenuta durante la compressione del vapore refrigerante.
Tipicamente, parte di questo olio lubrificante viene pompato insieme al refrigerante nel resto del sistema. Sebbene questo olio non abbia alcuna funzione in nessun'altra parte del sistema, le tubazioni del refrigerante devono essere progettate e installate in modo che questo olio ritorni al compressore alla velocità corretta, in tutte le condizioni operative.
Restituire l'olio ai compressori
Tornando allo schema del sistema, le goccioline d'olio vengono pompate fuori dal compressore insieme al vapore refrigerante caldo e ad alta pressione. La velocità del refrigerante all'interno della linea di scarico deve essere sufficientemente elevata da trasportare le piccole goccioline d'olio attraverso il tubo fino al condensatore.
All'interno del condensatore, il vapore refrigerante si condensa in un liquido. Il refrigerante liquido e l'olio hanno un'affinità tra loro, quindi l'olio si muove facilmente insieme al refrigerante liquido. Dal condensatore, questa miscela di refrigerante liquido e olio scorre attraverso la linea del liquido fino al dispositivo di espansione.
Successivamente, la miscela refrigerante-olio viene dosata attraverso il dispositivo di espansione nell'evaporatore, dove il refrigerante liquido assorbe calore e vaporizza. Anche in questo caso, la velocità del vapore refrigerante all'interno della linea di aspirazione deve essere sufficientemente elevata da riportare le goccioline d'olio attraverso il tubo al compressore.
Senza un'adeguata velocità e una corretta installazione dei tubi, l'olio potrebbe rimanere intrappolato nel sistema. Se questa condizione è sufficientemente grave, il livello ridotto dell'olio nel compressore potrebbe causare problemi di lubrificazione e, potenzialmente, guasti meccanici.
Thermostatic Expansion Valve (TXV)
The second requirement of the refrigerant piping design is to ensure that only liquid refrigerant enters the expansion device. There are several types of expansion devices, including expansion valves (thermostatic or electronic), capillary tubes, and orifices.
In addition to maintaining the pressure difference between the high-pressure (condenser) and low-pressure (evaporator) sides of the system, a thermostatic expansion valve (TXV) also controls the quantity of liquid refrigerant that enters the evaporator. This ensures that the refrigerant will be completely vaporized within the evaporator, and maintains the proper amount of superheat in the system.
Sottoraffreddamento
Inside the condenser, after all of the refrigerant vapor has condensed into liquid, the refrigerant is subcooled to further lower its temperature. This subcooled liquid refrigerant leaves the condenser (A) and experiences a pressure drop as it flows through the liquid line and accessories, such as a filter drier and solenoid valve, installed upstream of the TXV. On the pressure-enthalpy chart, Figure below on page 5, this moves the condition of the refrigerant toward the saturated liquid curve (B). If this pressure drop is high enough, or if the refrigerant has not been subcooled enough by the condenser, a small portion of the refrigerant may boil (or flash), resulting in a mixture of liquid and vapor (C) entering the expansion device.
La presenza di vapore refrigerante a monte del dispositivo di espansione è molto indesiderata. Bolle di vapore spostano il liquido nella porta della TXV, riducendo la portata del liquido attraverso la valvola, riducendo quindi sostanzialmente la capacità dell'evaporatore. Ciò si traduce in un funzionamento irregolare della valvola.
The design of the piping system must ensure that only liquid refrigerant (no vapor) enters the expansion device. This requires that the condenser provide adequate subcooling at all system operating conditions, and that the pressure drop through the liquid line and accessories not be high enough to cause flashing. Subcooling allows the liquid refrigerant to experience some pressure drop as it flows through the liquid line, without the risk of flashing.
Caduta di pressione in una linea di aspirazione
Il terzo requisito della progettazione delle tubazioni del refrigerante è ridurre al minimo la perdita di capacità del sistema. Per ottenere la massima capacità dal sistema, il refrigerante deve circolare attraverso il sistema nel modo più efficiente possibile. Ciò comporta la riduzione al minimo di qualsiasi caduta di pressione attraverso le tubazioni e gli altri componenti del sistema.
Whenever a fluid flows inside a pipe, a characteristic pressure drop is experienced. Pressure drop is caused by friction between the moving liquid (or vapor) and the inner walls of the pipe. The total pressure drop depends on the pipe diameter and length, the number and type of fittings and accessories installed in the line, and the mass flow rate, density, and viscosity of the refrigerant.
As an example, the chart in Figure above demonstrates the impact of pressure drop, through the suction line, on the capacity and efficiency of the system. For this example system operating with Refrigerant-22, increasing the total pressure drop in the suction line from 3 psi (20.7 kPa) to 6 psi (41.4 kPa) decreases system capacity by about 2.5 percent and decreases system efficiency by about 2 percent.
Ciò rivela un compromesso con cui il progettista del sistema deve fare i conti. Il diametro della linea di aspirazione deve essere sufficientemente piccolo affinché la velocità del refrigerante risultante sia sufficientemente elevata da trasportare goccioline d'olio attraverso il tubo. Tuttavia, il diametro del tubo non deve essere così piccolo da creare un'eccessiva caduta di pressione, riducendo troppo la capacità del sistema.
Ridurre al minimo la carica di refrigerante
I primi tre requisiti sono rimasti invariati per molti anni. Tuttavia, anni di osservazione e risoluzione dei problemi hanno rivelato che minore è la carica di refrigerante del sistema, maggiore è l'affidabilità delle prestazioni del sistema. Pertanto, è stato aggiunto un quarto requisito per la progettazione delle tubazioni del refrigerante: ridurre al minimo la quantità totale di refrigerante nel sistema. Per cominciare, ciò comporta la definizione del percorso dei tubi più breve, semplice e diretto. Implica inoltre l'utilizzo del diametro del tubo più piccolo possibile, in particolare per la linea del liquido perché, delle tre linee, è quella che influisce maggiormente sulla carica di refrigerante. Il grafico nella Figura seguente mostra che la linea del liquido è seconda solo al condensatore per quantità di refrigerante contenuto.
Ciò rivela un altro compromesso per il progettista del sistema. Il diametro della linea del liquido deve essere il più piccolo possibile per ridurre al minimo la carica totale di refrigerante. Tuttavia, il diametro del tubo non può essere sufficientemente piccolo da creare un'eccessiva caduta di pressione che provochi lampi prima che il refrigerante liquido raggiunga il dispositivo di espansione.
Coinvolgere il produttore
Se fornito, utilizzare le dimensioni della linea del refrigerante consigliate dal produttore
Questa guida illustra i processi per il dimensionamento delle tubazioni di interconnessione in un sistema di climatizzazione. Alcune delle informazioni richieste per selezionare le dimensioni ottimali dei tubi sono meglio conosciute dal produttore. Pertanto, se il produttore dell'apparecchiatura di refrigerazione fornisce dimensioni di linea consigliate o strumenti per selezionare le dimensioni di linea ottimali, si consiglia di utilizzare tali dimensioni di linea.
Se, tuttavia, le dimensioni dei tubi non vengono fornite dal produttore, è possibile utilizzare i processi descritti in questa guida per selezionare le dimensioni.
Requisiti generali per le tubazioni
- Utilizzare tubi di rame di tipo L puliti
- Giunti rame-rame: BCuP-6 senza fondente
- Copper-to-steel (or brass) joints: BAg-28, non-acid flux
- Supportare adeguatamente le tubazioni per tenere conto dell'espansione, delle vibrazioni e del peso
- Evitare l'installazione di tubazioni interrate
- Testare eventuali perdite dell'intero circuito frigorifero
Prima di discutere la progettazione e l'installazione delle linee di aspirazione, scarico e del liquido, esistono alcuni requisiti generali che si applicano a tutte queste linee.
Innanzitutto, i tubi in rame vengono generalmente utilizzati per le tubazioni del refrigerante negli impianti di condizionamento dell'aria. Questo tubo è disponibile in vari diametri standard e spessori di parete. Il diametro nominale del tubo è espresso in termini di diametro esterno. Questo tubo deve essere completamente privo di sporco, incrostazioni e ossido. Per le applicazioni di condizionamento dell'aria si consiglia la nuova tubazione di tipo L o di tipo ACR, pulita dal produttore e tappata su entrambe le estremità.
Il sistema di tubazioni è costruito brasando insieme tubi e raccordi in rame. Quando si brasano giunti rame-rame, utilizzare BCuP-6* senza fondente. Per giunti rame-acciaio o rame-ottone, utilizzare BAg-28* con un flusso non acido.
Basato sulle specifiche per i metalli d'apporto per brasatura e brasatura dell'American Welding Society (AWS), pubblicazione A5.8–1992
La tubazione del refrigerante deve essere adeguatamente supportata per tenere conto dell'espansione, delle vibrazioni e del peso totale della tubazione. Quando un tubo subisce un cambiamento di temperatura, è soggetto ad una certa quantità di espansione e contrazione. Poiché la tubazione del refrigerante è collegata al compressore, le forze di vibrazione vengono trasmesse alla tubazione stessa. Infine, il peso del tubo e dei raccordi riempiti di refrigerante deve essere sostenuto per evitare che i tubi cedano, si pieghino o si rompano.
Avoid installing refrigerant piping underground. It is very difficult to maintain cleanliness during installation or to test for leaks. If underground installation is unavoidable, each line must be insulated separately, and then the lines must be waterproofed and protected with a hard casing (such as PVC).
Dopo l'installazione delle tubazioni, è necessario testare la tenuta dell'intero circuito di refrigerazione prima di poterlo caricare con il refrigerante. Questo processo in genere comporta la pressurizzazione dell'intero sistema di tubazioni con azoto secco per esaminare eventuali perdite in ciascun giunto brasato.
Ciascuno di questi problemi è discusso in maggior dettaglio nel Manuale di refrigerazione alternativa Trane.
Riferimento
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