ITMI971244A1

ITMI971244A1 - Controllo dello sbrinamento dell'evaporatore in un impianto a pompa di calore ad aria

Info

Publication number: ITMI971244A1
Application number: IT97MI001244A
Authority: IT
Inventors: Luigi Rosso; Roberto Trecate
Original assignee: Rc Condizionatori Spa
Priority date: 1997-05-27
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 1998-11-27
Also published as: ITMI971244A0; EP0881440A2; IT1292014B1; EP0881440A3

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"CONTROLLO DELLO SBRINAMENTO DELL'EVAPORATORE IN UN IMPIANTO A POMPA DI CALORE AD ARIA"

DESCRIZIONE.

Le pompe di calore sono macchine che utilizzano un ciclo frigorifero (Ciclo di Camot inverso) per produrre calore a media e alta temperatura. Le macchine frigorifere che seguono tale ciclo utilizzano energia in forma meccanica esterna (lavoro - L) e producono come risultato un trasferimento di energia termica da una sorgente di calore a bassa temperatura (TL) ad una sorgente di calore ad alta temperatura (TH).

L'efficienza di una pompa di calore si indica con COP (Coefficient of performance) ed è data dal rapporto:

COP = EH / L

dove EH è l'energia termica ceduta alla sorgente di calore ad alta temperatura TH. Poiché EH = L EL, dove EL è l'energia .termica sottratta alla sorgente di colore a bassa temperatura TL,

COP = (EL L) / L = 1 EL/L

Per un ciclo frigorifero ideale di Camot:

COP = TH / (TH - TL)

TH e TL sono espresse in gradi Kelvin. Questa espressione indica che il COP di una pompa di calore, a parità di temperatura TH della sorgente calda, è tanto maggiore quanto minore è la differenza di temperatura tra le due sorgenti termiche.

Un circuito frigorifero elementare utilizzato come pompa di calore è schematizzato nella figura 1.

Esso è composto essenzialmente da un compressore CP, uno scambiatore di calore ad alta temperatura (Condensatore C0 sulla sorgente calda Sc), uno scambiatore di calore a bassa temperatura (Evaporatore Ev sulla sorgente fredda Sf) e una valvola di espansione VE.

La macchina frigorifera durante il funzionamento:

• riceve calore dalla sorgente fredda Sf, nel senso che l'energia termica EL fluisce dalla sorgente fredda Sf a temperatura TL verso, l'evaporatore a temperatura TE (TE < TL perché ci sia flusso di calore),

●il compressore fornisce al ciclo frigorifero energia meccanica L, ● la m àcchina céde calore EH alla sorgente calda Sc. Il flusso di calore va dal condensatore alla temperatura TC verso la sorgente calda a temperatura TH (TH < TC),

• attraverso la valvola di espansione il fluido frigorifero riduce la propria temperatura.

Rispetto ad una macchina ideale, in cui le trasformazioni al condensatore ed evaporatore si svolgono alla stessa temperatura delle sorgenti, la macchina reale peggiora il COP perché deve (per ragioni dovute al flusso di calore) lavorare con differenze di temperatura maggiori.

a) TC - TE > TH-TL

in cui: b) TC > TH c) TE < TL

Nella costruzione delle macchine frigorifere l'obiettivo primario è quello di ridurre la differenza tra il primo e il secondo membro dell'espressione a) mediante la riduzione delle singole differenze tra le temperature nelle espressioni b) e c).

Le differenze di temperatura indicate dalle espressioni b) e c) dipendono dal dimensionamento degli scambiatori di calore e da considerazioni tecniche ed economiche progettuali delle macchine frigorifere. Naturalmente uno scambiatore di calore infinitamente grande funzionerebbe con una differenza nulla tra le temperature del fluido riscaldante e del fluido riscaldato.

Ogni macchina frigorifera ha dunque dei <' >suoi valori progettuali di funzionamento TL - TE e TC - TH.

Se durante il funzionamento queste differenze di temperatura sono mantenute ai valori minimi si ha la garanzia che la macchina frigorifera lavora con il massimo COP possibile.

Nelle pompe di calore ad aria, la sorgente fredda è l'aria dell'ambiente esterno e la sorgente calda è l'acqua calda prodotta al condensatore o l'aria stessa dell'ambiente da riscaldare.

Lo scambio di calore all'evaporatore avviene tra il fluido frigorifero che evapora e l'aria esterna che diminuisce il proprio contenuto entalpico. Si parla di variazione di contenuto entalpico, proprio perché il fenomeno di raffreddamento dell'aria, durante il transito nell'evaporatore, dipende da parametri come la temperatura e l'umidità relativa.

Gli evaporatori ad aria, utilizzati nelle pompe di calore, sono costituiti da batterie di tubi alettati. All'interno dei tubi transita il fluido frigorifero ed all'estero di essi passa l'aria dell'ambiente esterno. L’aria, quando incontra le superfici fredde della batteria alettata, vi deposita, sotto forma di condensato, parte dell'umidità in essa contenuta. La quantità di condensato depositato è tanto maggiore quanto maggiore è l'umidità assoluta contenuta nell'aria che entra in batteria.

In figura 2 si è riportato il diagramma psicrometrico dell'aria. Nella trasformazione di raffreddamento 1-2 sul diagramma psicrometrico, l'aria nelle condizioni del punto 1 (inizio raffreddamento) si trova con umidità assoluta elevata, mentre al punto 2 (fine raffreddamento), l'aria ha un contenuto di umidità inferiore; la trasformazione 1-2 avviene con deposizione di condensato sulla superficie della batteria. Nella trasformazione di raffreddamento, 3-4, invece, l'aria prima del raffreddamento, ha un basso contenuto di umidità che non varia fino all’uscita; la trasformazione 3-4 avviene senza deposito di condensato.

Al di sotto di determinati valori di temperatura e umidità relativa dell'aria esterna, il fluido frigorifero, all’intemo dei tubi della batteria alettata (evaporatore), assume temperature negative che portano la superficie esterna dei tubi e delle alette a valori di 0°C e inferiori.

In queste condizioni il condensato ghiaccia e si accumula sull'alettatura sotto forma di ghiaccio compatto o sotto forma di brina. Il ghiaccio aumenta la resistenza termica, peggiora lo scambio di calore tra l'aria e il fluido frigorifero, la differenza TL - TE aumenta e il COP della pompa di calore peggiora. Durante la formazione della brina diminuisce là temperatura di evaporazione TE pur rimanendo costante la temperatura dell'aria esterna TL.

E' necessario quindi rimuovere il ghiaccio depositato sulla batteria evaporante in modo da mantenere elevato il COP della macchina.

Nelle macchine frigorifere a pompa di calore si attiva periodicamente una funzione detta "ciclo di sbrinamento" che consente di sciogliere il ghiaccio o la brina depositati sulla batteria alettata. Lo sbrinamento può avvenire in diversi modi (per inversione di ciclo, per iniezione di gas caldo, per ventilazione, con resistenze elettriche, ecc.). Durante il ciclo di sbrinamento la macchina è inattiva, nel senso che viene interrotta completamente o parzialmente la produzione di energia termica ad alta temperatura.

Quantificare e prevedere la formazione di brina ed attivare in modo tempestivo i cicli di sbrinamento è essenziale per garantire il corretto funzionamento della pompa di calore. Cicli di sbrinamento troppo frequenti o troppo diradati riducono sia il COP della pompa di calore che la produzione oraria di energia termica ad alta temperatura.

Il fenomeno di deposizione di umidità sotto forma di condensato sulle alette di una batteria evaporante dipende dalle condizioni dell'aria esterna. Queste condizioni sono legate a variabili climatiche, meteorologiche, stagionali e ambientali in cui la pompa di calore si trova ad operare. La relazione che intercorre fra le variabili citate è complessa al punto che non è praticamente utilizzabile per attivare cicli di sbrinamento ottimali.

Nelle pompe di calore attualmente note è diffuso l'uso di sistemi di sbrinamento del tipo a tempo: di sistemi a temperatura; di sistemi a depressione e di sistemi misti che utilizzano i primi tre o parte di essi.

Nei sistemi a tempo il ciclo di sbrinamento interviene periodicamente, trascorso un tempo prestabilito. Generalmente il sistema di controllo delle macchine consente l'impostazione del tempo. Si possono predisporre o settare in modo adeguato le pompe di calore in funzione delle condizioni climatiche a cui esse sono destinate. In questo modo però non si può tenere conto dell'influenza che hanno le altre tre variabili ovvero le meteorologiche, le stagionali e le ambientali nella formazione di ghiaccio o brina sulla batteria alettata. Si dovrà tenere conto della situazione peggiore e concomitante delle tre e quindi si avranno cicli di sbrinamento più frequenti del necessario nelle stagioni intermedie e con condizioni meteorologiche favorevoli.

Nei sistemi a temperatura, una sonda termometrica sulla batteria evaporante rileva le condizioni di temperatura che possono dar luogo a formazione di ghiaccio e gestisce lo sbrinamento. Questo sistema ha bisogno di taratura e messa a punto macchina per macchina. Può essere utilizzato per macchine di grossa serie o in combinazione con altri sistemi. Presenta l'inconveniente di presupporre l'esistenza di una relazione stretta tra la temperatura uscente e la presenza di ghiaccio sulla batteria. In condizioni di basse temperature dell'aria con basso contenuto di umidità non vi è formazione di ghiaccio sulla batteria, ma questo sistema chiederebbe alla macchina di sbrinare.

Nei sistemi a depressione un pressostato differenziale tarato innesca lo sbrinamento. La formazione di ghiaccio sulla batteria evaporante provoca, oltre ad un aumento della resistenza termica, anche un aumento della resistenza al flusso dell'aria che la attraversa. Questo sistema presenta l'inconveniente di essere influenzato dal vento, inoltre è diffìcilmente applicabile in pompe di calore con ventilatori elicoidali sulla batteria evaporante.

Scopo della presente invenzione è ovviare agli inconvenienti della tecnica precedente e far sì che Io sbrinamento avvenga sempre e solo quando necessario.

Tale scopo è stato ottenuto con un metodo secondo la rivendicazione 1. Tale metodo sarà descritto in seguito.

Nelle figure, come già si è detto

la figura 1 illustra schematicamente una macchina a pompa di calore;

la figura 2 è un diagramma psicrometrico dell'aria, che presenta in ascisse le temperature in °C, in ordinate l'umidità assoluta in g/kg.

Il nuovo metodo oggetto di questa invenzione utilizza due temperature per gestire i cicli di sbrinamento della pompa di calore in modo ottimale per qualunque situazione climatica, meteorologica, stagionale e ambientale. Una delle temperature può essere rilevata attraverso una misura di pressione.

Come visto in precedenza, una condizione perché una pompa di calore funzioni al meglio è che il termine TL - TE sia sempre contenuto entro valori minimi.

Il metodo di gestione e controllo delle pompe di calore secondo l'invenzione prevede la misura continua della temperatura dell'aria esterna TL e della pressione PE del gas frigorifero all'interno dell’evaporatore. Dato che, per ogni fluido, durante il cambio di fase la pressione del vapore PE e la temperatura di saturazione TE sono in relazione univoca, la temperatura di evaporazione TE viene ricavata da una lettura manometrica. Monitorizzando (ovvero .predisponendo un controllo sistematico) la differenza TL - TE è possibile stabilire quando si ha la formazione di brina sulla batteria. Per alcuni minuti, subito dopo un ciclo di sbrinamento, la batteria evaporante non ha ancora accumulato brina sulla sua superficie e il valore TL - TE assume il valore minimo possibile, δTi. Questo valore sintetizza tutte le informazioni date dalla situazione climatica, meteorologica, stagionale, e ambientale in cui la macchina lavora.

All'attivazione della macchina (primo avviamento) il nuovo metodo di gestione e controllo delle pompe di calore prevede un primo ciclo di sbrinamento forzato. Terminato questo ciclo iniziale, viene rilevato e memorizzato il valore 5Ti medio che si ha tra il 4° e il 5° minuto successivo allo sbrinamento. In queste condizioni non si ha ancora formazione di ghiaccio o perlomeno la quantità di ghiaccio è talmente modesta da non influenzare il comportamento della macchina. Man mano che sulla batteria si accumula brina, TL - TE aumenta rispetto al valore iniziale δΤΐ. Quando le sonde a bordo macchina rilevano che:

TL - TE > δTi δTincremento

viene attivato un ciclo di sbrinamento. Terminato lo sbrinamento viene ancora rilevato e memorizzato il nuovo valore δTi medio che si ha. tra il 4° e il 5° minuto. Il sistema di controllo continua in questo modo ad aggiornare continuamente il δTi e cosi insegue il comportamento della macchina in funzione della evoluzione meteorològica (pioggia - nebbia - vento), della situazione stagionale e ambientale (giorno - notte; sole - ómbra). Il COP della pompa di calore è mantenuto sempre ai massimi valori possibili e minimizza gli interventi dei cicli di sbrinamento. Il nuovo metodo e apparecchiatura consentono di superare gli inconvenienti dei sistemi tradizionali. A parità di ore di funzionamento, una pompa di calore gestita con il nuovo metodo offre produzioni annuali di energia termica del 20% superiori alla stessa macchina gestita con sbrinamenti di tipo tradizionale.

Il valore δTincremento generalmente è pari a 8°C ma può essere modificabile, anche se prove in campo hanno dimostrato che valori superiori non influenzano negativamente il funzionamento della macchina, mentre valori inferiori a 8°C possono provocare un aumento inutile della frequenza dei cicli di sbrinamento.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo di controllo e gestione degli sbrinamento dell'evaporatore in un'apparecchiatura a pompa di calore funzionante fra una sorgente fredda (Sf) costituita da aria ambiente e una sorgente calda (Sc). caratterizzato dal fatto che si utilizzano come parametri per il controllo la temperatura dell'aria esterna (TL) e la pressione (PE) e/o la temperatura (TE) del gas frigorifero all'interno dell'evaporatore.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la rivelazione della pressione (PE) del gas frigorifero entro l'evaporatore è utilizzata per rilevare la temperatura (TE) di evaporazione.
3. Metodo secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che si monitorizza la differenza (TL - TE) fra la temperatura dell'aria esterna e la temperatura nell'evaporatore per rilevare la formazione di brina sulla batteria dell'evaporatore.
4. Metodo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che si rileva e memorizza un valore δTi medio iniziale, uguale alla differenza (TL - TE) tra la temperatura dell'aria esterna (TL) e la temperatura di evaporazione (TE) del gas frigorifero nell'evaporatore dopo un intervallo prefissato successivo ad uno sbrinamento di riferimento, quindi si continua a rilevare la differenza (TL - TE) fra la temperatura dell'aria esterna (TL) e la temperatura di evaporazione (TE) e quando tale differenza è < di δΤ δTincremento viene attivato un ciclo di sbrinamento; terminato lo sbrinamento viene ancora rilevato e memorizzato un nuovo valore δΤ medio dopo un certo intervallo di tempo, aggiornando così continuamente il δΤ.
5. Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il δTi medio viene rilevato dopo 4 o 5 minuti dallo sbrinamento.
6. Metodo secondo la rivendicazione 4 dove δTincremento è pari a circa 8 °C.