Funzionamento dell’impianto di condizionamento

Cercherò di spiegare in maniera breve e semplice (forse non proprio semplice) il funzionamento di un impianto domestico di condizionamento.

Innanzitutto togliamoci subito la brutta abitudine di chiamare gas il refrigerante contenuto nell’impianto. Questo è scorretto. Solo i frigoristi o gli installatori più ignoranti si riferiscono ad esso con il termine gas! Per definizione, una sostanza di tipo aeriforme è considerata gas quando si trova ad una temperatura superiore a quella nota come “temperatura critica”, mentre è considerato vapore quando si trova ad una temperatura inferiore. (approfondisci a questo link).

Durante il funzionamento normale di un impianto di refrigerazione troveremo sempre il refrigerante al di sotto della sua temperatura critica ovvero in fase liquida e/o in fase vapore, quindi mai gas. Se non vogliamo fare distinzione, possiamo riferirci ad esso semplicemente come fluido refrigerante, fluido operativo, fluido frigorigeno, etc, ma gas è scorretto!

La scelta di usare un fluido che lavora sotto la sua temperatura critica è fondamentale, poiché un vapore può condensare a seguito di un aumento di pressione, invece un gas, per quanto lo comprima, è incondensabile. Resterà sempre gas!!!
Infatti, la capacità di un fluido di cedere ed assorbire energia sotto forma di calore latente durante la condensazione e durante l’evaporazione è il principio alla base del funzionamento degli impianti di refrigerazione.

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Vediamo dunque com’è fatto e come funziona un piccolo condizionatore d’aria. In basso ho disegnato lo schema di un impianto di climatizzazione a split singolo.

A sinistra c’è l’unità esterna, a destra quella interna.
schema-condizionatore

Supponiamo che l’impianto funzioni in modalità raffreddamento.
Tratto 0-1)
In “a” è schematizzato il gruppo compressore + separatore del liquido refrigerante in eccesso.

Il compressore aspira i vapori del fluido refrigerante dal separatore e li comprime. Dato che la compressione si può supporre adiabatica il lavoro di compressione ha l’effetto di aumentare l’entalpia del fluido che uscirà dal compressore a temperatura e pressione maggiore di quella iniziale.
I fluidi usati negli impianti di refrigerazione sono tali che, a seguito di una compressione a partire dallo stato di vapore saturo, raggiungeranno lo stato di vapore surriscaldato. Però, faccio notare che questa non è una regola che vale per tutti i vapori, poiché alcuni fluidi ad alta massa molecolare, come per esempio i vecchi R-113, R-114, R-245fa, etc, possono condensare se compressi a partire dalla condizione di vapore saturo o ad essa prossima. Quindi è bene che i vapori arrivino all’aspirazione del compressore leggermente surriscaldati.

In “b” c’è la valvola a 4 vie e due posizioni ad azionamento elettrico, essa ha lo scopo di selezionare gli scambiatori di calore, facendo sì che l’impianto funzioni da condizionatore (raffreddamento) o pompa di calore (riscaldamento). In figura la valvola “b” si trova nella posizione di funzionamento a raffreddamento.
Tratto 1-2)

Il vapore surriscaldato in uscita dal compressore viene inviato allo scambiatore di calore “c” dell’unità esterna. Qui, incomincia a raffreddarsi e appena raggiunta la temperatura di saturazione, incomincia a condensare cedendo il “proprio calore latente di condensazione” all’aria esterna.(locuzione non esatta perché il calore non è una funzione termodinamica di stato, quindi non può appartenere al fluido)
Man mano che il fluido refrigerante procede lungo la serpentina, una frazione sempre maggiore di esso diventa liquida. Per questo, lo scambiatore di calore dell’unità esterna viene chiamato nel gergo tecnico “condensatore”.
All’uscita del condensatore, potremmo avere una miscela schiumosa di liquido e vapore o, se lo scambio di calore verso l’esterno è stato molto energico, come dovrebbe avvenire in un apparecchio ben dimensionato, liquido refrigerante sottoraffreddato.
Tratto 2-3)

Successivamente, la pressione del fluido refrigerante viene ridotta facendolo passare attraverso una strizione, cioè la valvola di laminazione “d”.
Ad un abbassamento della pressione corrisponde una temperatura di equilibrio liquido-vapore più bassa che viene raggiunta, per la maggior parte a spese del calore latente di vaporizzazione di una frazione della parte liquida, che evapora, ed in minima parte per l’espansione della frazione di vapore della miscela.
Quindi, dalla valvola di laminazione “d”, uscirà una miscela di liquido refrigerante con una percentuale di vapore maggiore di quella in ingresso ed una temperatura più bassa.
Tratto 3-0)
La miscela di liquido e vapore passa attraverso il rubinetto di mandata “e” per giungere allo scambiatore di calore dell’unità interna “f” (detto in gergo tecnico “evaporatore”).
La parte liquida è quella importante ai fini del raffreddamento, infatti, dato che la miscela dovrebbe trovarsi ad una temperatura di equilibrio liquido-vapore più bassa di quella dell’aria del locale in cui è installato lo split, essa assorbe dall’aria del locale la quantità di calore necessaria a vaporizzarsi e la raffredda. Una volta evaporata completamente la fase liquida, nell’ultimo tratto della serpentina dell’evaporatore, il fluido, ormai soltanto vapore, sale di temperatura rispetto a quella di evaporazione, cioè, si dice che si surriscalda. Il calore sensibile assorbito dal vapore (definito sensibile perché è calore che causa un aumento di temperatura) è modesto e trascurabile rispetto al calore latente di evaporazione della frazione liquida (definito latente perché durante il cambiamento di fase liquido-vapore è calore che non causa una variazione di temperatura del fluido).

Quando l’impianto funziona a regime, cioè dopo alcuni minuti che l’impianto è stato in moto e le temperature e le pressioni si sono stabilizzate, il rubinetto di ritorno “g” è attraversato soltanto da vapore surriscaldato segno che tutta la parte liquida immessa nell’evaporatore è stata vaporizzata, al limite, se nell’impianto c’è troppo refrigerante rispetto alla quantità di calore scambiata, vapore saturo.
Nella condizione di funzionamento a regime non può esserci di ritorno dall’evaporatore una miscela contenente una frazione liquida, altrimenti (se per assurdo fosse una condizione di regime) la parte liquida si accumulerebbe nel separatore di liquido, il cui livello sarebbe costantemente in aumento.

Quindi, il separatore, oltre a trattenere la frazione liquida che potrebbe danneggiare il compressore se aspirata, ha l’importante compito di regolare la quantità di fluido in circolo nell’impianto in risposta agli scambi di calore con l’ambiente!!!

Uno sguardo ai componenti dell’impianto

L’unità esterna

Ecco come si presentano i componenti dell’unità esterna dopo aver rimosso il carter che li racchiude.

unita_esterna_condizionatore_fronteIn questa foto si vede il condensatore “c” ed il gruppo compressore “a” con il separatore di vapore e accumulatore di liquido in eccesso collegato all’aspirazione .

unita_esterna_condizionatore_retroGuardando dal retro, si notano tutti gli altri componenti fondamentali dell’impianto.

valvola_a_quattro_vie_condizionatore-2

In questa foto, la valvola a quattro vie che permette di commutare il funzionamento dell’impianto da condizionatore a pompa di calore. Da un lato c’è un tubo singolo, dall’altro ce ne sono tre. In questo tipo di valvole il tubo singolo è sempre collegato alla mandata del compressore, mentre quello centrale fra i tre del lato opposto è sempre collegato all’aspirazione del compressore. valvola_a_quattro_vie_condizionatoreSi nota che la valvola a 4 vie è composta da un cassettino che scorre all’interno di un manicotto. Un elettrovalvola più piccola smista il fluido in arrivo dal compressore a destra o a sinistra del cassettino causandone lo spostamento da un lato o quello opposto.

valvola_di_laminazione_condizionatoreNella foto in alto possiamo vedere un tubicino avvolto su diverse spire. Esso costituisce la valvola di laminazione, cioè un condotto capillare di lunghezza tale che la perdita di carico corrisponda al salto di pressione che si vuole ottenere nell’impianto.

Tuttavia, nel funzionamento in estate e poi in inverno, cioè nel funzionamento a macchina frigorifera o pompa di calore, le temperature del locale da condizionare e le temperature dell’ambiente esterno sono diverse. A diverse temperature di esercizio corrispondono diverse pressioni di condensazione e di evaporazione del fluido.

Dunque, per ottenere un buon funzionamento dell’impianto sarebbero necessari due condotti capillari, uno tarato per l’estate in funzionamento a macchina frigorifera ed uno in funzionamento invernale a pompa di calore.

Collegata alla valvola di laminazione mostrata in foto, si nota una valvola unidirezionale. Essa permette di bypassare un tratto del condotto di laminazione quando il fluido refrigerante lo attraverso secondo un verso.
In questo modo, dato che il verso di percorrenza della valvola di laminazione s’inverte tra macchina frigorifera e pompa di calore, è possibile ottenere due salti di pressione diversi a secondo del funzionamento dell’impianto.

Si vede inoltre, sulla destra della foto, il filtro disidratatore.

schema_elettrico_unita_esternaLo schema elettrico dell’unità esterna.

compressore_interruttore_termico_lamina_bimetallicaCome si nota nelle precedenti foto e come si trova su tutti i compressori per il condizionamento o per la refrigerazione, il motore è protetto dai sovraccarichi e dai surriscaldamenti da un interruttore termico a lamina bimetallica che nello schema non è riportato. Vedi freccia nella foto in alto.

L’unità interna

L’unità interna è concettualmente semplice, ma in realtà è la parte più sofisticata di tutto l’impianto.
Ospita la scheda elettronica che, misurando tramite opportuni sensori i parametri di funzionamento dell’impianto e i parametri ambientali del locale da climatizzare, comanda le varie parti dell’impianto.

Aprire uno split non è semplice, perché i vari pezzi sono montati ad incastro ed è facile rompere qualcosa.
condizionatore_unita_interna_sensore_temperatura_localeRimosso il frontale, lo split in foto mostra l’evaporatore e la scheda elettronica sulla destra. Nella foto in alto, la freccia indica il sensore di temperatura dell’aria in ingresso nello split, cioè l’aria del locale. Nella foto in basso la freccia indica il sensore di temperatura del fluido che attraversa lo scambiatore di calore.

condizionatore_unita_interna_sensore_temperatura_fluidoVolendo aprire ulteriormente lo split si rischierebbe di rompere qualcosa. A chi volesse approfondire, lascio una foto dello schema elettrico a blocchi di questo split in basso.

condizionatore_unita_interna_schema_elettrico_blocchi