IL RITORNO DELL'OLIO

I compressori frigoriferi necessitano di lubrificazione, a questo scopo il costruttore del compressore provvede al riempimento dello stesso di una certa quantità di olio, che deve, ovviamente, essere compatibile con il fluido refrigerante con il quale è a contatto.

Quindi, l’olio utilizzato per assicurare la lubrificazione del compressore frigorifero si miscela facilmente con i fluidi frigorigeni correnti.

Questa forte affinità dell’olio con il fluido frigorigeno è però all’origine di numerosi problemi, in generale poco conosciuti, che possono provocare delle avarie sia meccaniche (rottura delle valvole, grippaggio del compressore…), sia elettriche (bruciatura del motore), sia termodinamiche (mancanza di potenza frigorifera, interruzioni intempestive delle sicurezze…).

Perché l’olio è trasportato dal fluido frigorigeno?

In particolare, gli attriti tra pistoni e cilindri (o tra segmenti e cilindri) necessitano di una lubrificazione continua, per cui l’olio si trova sempre a contatto con il fluido frigorigeno all’interno dei cilindri.

In funzionamento normale, anche con un compressore nuovo o in perfetto stato, inevitabilmente una piccola quantità di olio viene trascinata dal gas fuori dal compressore, lasciando la mandata sotto forma di una nebbia composta di piccolissime gocce d’olio.
Inoltre, durante i periodi di arresto del compressore, l’olio contenuto nel carter assorbe inevitabilmente una certa quantità di fluido frigorigeno, secondo la temperatura dell’olio e la procedura di arresto della macchina.
Quando il compressore parte, la rapida caduta di pressione nel carter provoca una separazione altrettanto rapida del fluido frigorigeno dissolto nell’olio e, quindi, una notevole emulsione(schiumatura, che si può osservare attraverso la spia dell’olio).

Questa emulsione viene aspirata dai pistoni e mandata verso il condensatore.

È proprio nel momento di avviamento del compressore che la quantità di olio trascinata nel circuito è maggiore.

Quali problemi pongono questi trascinamenti?

Causa la grande affinità tra l’olio e il fluido frigorigeno, non si può impedire che una certa quantità di olio fuoriesca  regolarmente dalla mandata del compressore, verso il circuito frigorifero.

Dal momento che l’olio è destinato ad assicurare la lubrificazione degli organi mobili del compressore, il suo posto è nel carter e non nel circuito.

Diventa quindi necessario, da un lato limitare il più possibile questa partenza di olio, dall’altro assicurarsi che l’olio che lascia il compressore ritorni senza difficoltà nel carter, per giocare il proprio ruolo di agente lubrificante.

In effetti, se la quantità di olio che parte dalla mandata del compressore è superiore alla quantità che ritorna dall’aspirazione (restando intrappolato nel circuito), il livello nel carter può abbassarsi pericolosamente fino a non assicurare più la corretta lubrificazione.

Per di più, nel caso di ritorno anomalo del frigorigeno liquido nel carter, la quantità di fluido dissolto nell’olio diventa notevole.

All’avviamento, la violenta separazione del fluido dall’olio, provocato dalla rapida caduta di pressione nel carter, produce una fortissima emulsione che può disattivare la pompa dell’olio (se presente).

Questa fortissima emulsione può anche provocare un trascinamento dell’olio talmente intenso che il carter si svuota completamente al momento dell’avviamento, non permettendo più la corretta lubrificazione per un tempo più o meno lungo (lo schiumaggio caratteristico che accompagna l’emulsione è facilmente osservabile attraverso la spia dell’olio).

Lo stesso fenomeno avviene qualora ci fossero colpi di liquido ciclici (anche se leggeri), dovuti a surriscaldamento troppo basso oppure a brevi cicli di funzionamento del compressore (sia per l’azione di una sicurezza, sia per la regolazione),  che rischiano ugualmente di provocare un abbassamento pericoloso del livello dell’olio, dovuto agli impulsi notevoli della partenza e ai brevi tempi di funzionamento, che non permettono il ritorno normale dell’olio, per non parlare delle sollecitazioni statoriche.

Inoltre, se è installato un pressostato di sicurezza olio, il suo necessario ritardo di intervento provoca inevitabili danni dovuti alla cattiva lubrificazione nella fase di avviamento, determinando, più o meno a lungo termine, una distruzione meccanica irrimediabile degli organi mobili del compressore. Infatti, l’80% dell’usura meccanica del compressore avviene proprio nella fase di avviamento.

Esiste un altro problema quando la progettazione o il tracciato delle tubazioni principalmente di aspirazione, è mal realizzato. In effetti, invece di ritornare regolarmente verso il carter del compressore, l’olio può accumularsi dentro delle sacche o delle contropendenze…

Quando la sacca si svuota, un tappo di olio può essere brutalmente aspirato dal compressore e provocare un violento colpo d’olio, creando i medesimi danni di un colpo di liquido.

 La presenza di olio costituisce uno strato isolante all’interno delle tubazioni, che si interpone nello scambio di calore tra l’aria e il fluido frigorigeno, riducendo il coefficiente di trasmissione degli scambiatori termici (condensatore ed evaporatore).

Questa riduzione dello scambio termico è principalmente sensibile nell’evaporatore dove il fluido frigorigeno e l’olio si separano facilmente a causa della bassa temperatura, riducendone anche la potenza frigorifera.

Questa perdita di potenza non è assolutamente trascurabile e, in certi casi, può raggiungere anche valori del 20%.

 Velocità dei gas.

Bisogna ricordare che l’olio si miscela bene con il fluido frigorigeno allo stato liquido, quindi la sua circolazione nel condensatore e nella linea liquida non pone alcun problema.

Mentre nella linea di mandata e di aspirazione, dove il fluido frigorigeno è in fase gassosa, i due fluidi (olio liquido e refrigerante gassoso) hanno tendenza a separarsi, creando seri problemi di libera circolazione dell’olio e ostacolando il suo ritorno verso il carter del compressore. Quindi il problema del ritorno dell’olio si pone in modo differente nei vari tratti di tubazione.
Per il dimensionamento delle tubazioni bisogna fare dei calcoli precisi e minuziosi i quali danno la velocità minima del fluido refrigerante in relazione al tipo di gas, alle temperature di evaporazione e condensazione, al tratto di tubazione e alla posizione (orizzontale o verticale) della tubazione stessa. Bisogna tener presente che si deve raggiungere un compromesso tra la velocità del refrigerante (che potrebbe richiedere piccoli diametri) e la necessità di avere basse perdite di carico, per avere la massima potenza frigorifera, (che potrebbe richiedere diametri superiori).

In linea di massima si puo' dire che:

Nel tratto orizzontale, la maggior parte dell’olio scorre naturalmente nel senso della pendenza (quando esiste). In assenza di pendenza, se la velocità del gas è troppo bassa, l’olio ha tendenza a depositarsi per gravità e a ristagnare nella parte inferiore dei tubi. Per questo motivo la velocità del refrigerante nella linea di aspirazione dovrebbe essere intorno ai 3,5-3,8 m/s e, comunque, non inferiore ai 2,5 m/s
Nella linea di scarico del compressore, la velocità del refrigerante dovrebbe aggirarsi intorno ai 10-15 m/s e comunque non superiore ai 20 m/s, in modo da conservare una perdita di carico e un livello sonoro accettabile. In ogni caso non deve neanche essere inferiore ai 5 m/s.

Sul tratto verticale, il problema della risalita dell’olio si complica un po’ a causa dell’attrazione della forza di gravità che tende ad attirare il velo d’olio verso il basso.

Nei tratti verticali, per vincere il peso dell’olio e permetterne la risalita nella tubazione di aspirazione, l’esperienza ha dimostrato che l’olio risale facilmente se la velocità del gas è di circa 7,5-9 m/s e comunque non inferiore ai 5 m/s

Consiglio una pendenza minima di 12 mm/m, nel senso dello scorrimento del fluido, su tutte le tubazioni orizzontali.

Nella linea del liquido (dal condensatore all’organo di espansione), come già detto, il problema è ridotto a causa della buona miscelazione tra i due liquidi, per cui la velocità minima può essere di 1,5 m/s.

Influenza dei dislivelli sul ritorno d’olio.

Usando compressori alternativi, un primo problema si pone se il condensatore è situato più alto del compressore, con un dislivello superiore a tre metri.

Ad ogni arresto del compressore, la velocità del gas diventa nulla e l’olio contenuto nel tratto verticale ricade per gravità, rischiando di venire accumulato nella testata del compressore sul lato di scarico.

Quando il dislivello ha un altezza che supera i 3 metri, questa quantità di olio che può ritornare nella testata non è più assolutamente trascurabile, inoltre a causa della temperatura ambiente eventualmente bassa attorno al tubo di scarico una quantità di fluido frigorigeno, più o meno considerevole può condensarsi all’arresto e ridiscendere ugualmente verso la testata del compressore.

Questo accumulo di frigorigeno liquido e di olio nella testata rischia di provocare un violento colpo di liquido, alla rimessa in moto del compressore. (consiglio sempre una valvola di non ritorno allo scarico del compressore)

Lo stesso tipo di problema esiste quando l’evaporatore è situato al di sotto del compressore perché, all’arresto, l’olio contenuto nella colonna montante ricade ugualmente nella parte bassa del tubo. Come nel caso di un tubo di scarico, questa quantità di olio può diventare considerevole quando il dislivello supera i 3 metri.

Alla rimessa in moto del compressore, l’aspirazione del tappo di olio intrappolato nella sacca può provocare un violento colpo di olio.

Per evitare questo colpo di liquido all’origine di molte rotture delle valvole è indispensabile, quando il dislivello supera i 3 metri, installare una trappola di liquido (sifone) alla base di ciascuna colonna montante e rispettare le pendenze.

Abbiamo detto che per assicurare la risalita dell’olio sui tratti verticali delle tubazioni, la velocità del gas deve essere sempre superiore a 5 m/s, qualunque siano le condizioni di funzionamento.
Tuttavia tale velocità potrebbe essere insufficiente, quando il dislivello supera 7,5 metri circa, (sia su di un tubo di aspirazione che di mandata) il velo d’olio che sale lungo le pareti del tubo ha la tendenza a staccarsi e a ricadere per gravità.

Ovviamente più dislivello c’è e maggiore è la lunghezza del tratto verticale di tubazione e conseguentemente maggiore la capienza di olio.

A causa del grande dislivello, a ciascun arresto del compressore, la quantità di olio che ricade è quindi notevole e rischia ugualmente di ostruire completamente il sifone situato alla base della colonna montante.

Su una colonna montante di mandata, questo afflusso di olio, all’arresto del compressore rischia di ritornare nella testata se la trappola si riempie completamente e trabocca, provocando un colpo di olio all’avviamento seguente. In questo caso, la situazione è ulteriormente aggravata dal rischio di condensazione del fluido frigorigeno all’interno del tubo durante l’arresto.
Su una colonna montante di aspirazione molto alta, la considerevole quantità di olio che ricade nel sifone, all’arresto del compressore, rischia di essere aspirata al prossimo avviamento sotto forma di un tappo di olio, generatore di colpo d’olio micidiale per le valvole (la situazione può essere ancora aggravata da scorrimenti superflui di liquido dall’evaporatore).

Per evitare gravi avarie meccaniche del compressore, è necessario, quando il dislivello è notevole, installare un sifone ogni 3,5 m., sia sulle colonne montanti di mandata (compressore in basso), sia in quelle di aspirazione (compressore in alto).

Durante il normale funzionamento, l’olio può risalire di trappola in trappola senza mai avere la possibilità di ritornare alla trappola precedente. All’arresto, ogni trappola raccoglie una quantità di olio (o di liquido) ragionevole che non permette l’ostruzione completa.

Raccomando sempre di avere il minimo dislivello possibile, perché aumentando i  dislivelli e i sifoni necessari, aumentano anche le perdite di carico, a scapito della resa dell’impianto frigorifero.

Infine, notiamo che l’installazione di un separatore d’olio sulla tubazione di mandata non può risolvere completamente il problema dei trascinamenti di olio.

In effetti, un separatore d’olio, anche se perfettamente scelto e installato, lascerà malgrado tutto passare dall’1 al 2% (se va bene!) dell’olio che lascia il compressore.

Bisognerà ugualmente che quest’olio possa ritornare al compressore e le precauzioni da prendere per la scelta e il tracciato delle tubazioni restano quindi identiche.

Come realizzare un sifone

La funzione principale del sifone è quella di favorire la circolazione dell’olio nell’impianto frigorifero, ma anche quella di trattenere temporaneamente il liquido (olio o fluido frigorigeno condensato) alla base di tutte le tubazioni verticali, con dislivello superiore ai 3 metri.

Il sifone non è un serbatoio ed è quindi essenziale che la sua capienza sia la più limitata possibile, in modo da ridurre la quantità di liquido intrappolato evitando che notevoli tappi di olio possano essere messi periodicamente in circolazione nel circuito (soprattutto sull’aspirazione del compressore).
È preferibile utilizzare sifoni già fatti (a volte costano un po troppo), ma qualora non fossero reperibili, si possono costruire utilizzando un raccordo a «U» con raggio di curvatura molto stretto e due curve a 90°C, tenendo presente che la distanza deve essere la più corta possibile. È sempre essenziale rispettare le pendenze (almeno 12 mm/m).

Man mano che l’olio si accumula nel sifone, il suo livello sale riducendo la sezione di passaggio del gas, provocandone un aumento progressivo della velocità e una diminuzione di portata.

L’aumento della velocità e l’impatto del gas sul tappo d’olio favoriscono la sua scissione in finissime goccioline e il trascinamento dell’olio nelle tubazioni verticali sotto forma di una nebbia e di un velo d’olio che avanza lungo le pareti dei tubi, sotto l’azione meccanica della velocità del gas stesso.

Per Finire

Il ritorno dell’olio al compressore è essenziale per il buon funzionamento e la durata dell’impianto.

Naturalmente il problema è più importante tanto più grande ed esteso è l’impianto frigorifero, sia di refrigerazione sia di climatizzazione, come, ad esempio, nei supermercati di dimensioni medio/grandi, dove i banchi frigoriferi vengono alimentati da una centrale frigorifera multicompressore, spesso con condensatore remoto e dove anche l’impianto di climatizzazione, suddiviso a zone per esigenze termoigrometriche diverse, potrebbe essere alimentato da un’altra centrale frigorifera.
Il problema non è così marcato nelle macchine monoblocco (chiller o roof-top) e viene affrontato comunque dal costruttore della macchina stessa.

Anche nei piccoli impianti split il problema non esiste se si rispettano le caratteristiche di dislivello, lunghezza e diametri delle tubazioni, imposti dal costruttore del sistema.
Spero che questa rivisitazione sia di utilità comune e che possa chiarire (a chi ne avesse bisogno) alcuni aspetti (non tutti ovviamente, l'argomento è ancora vasto) riguardo ai problemi legati all'olio.