VALVOLA A 4 VIE PER L'INVERSIONE DI CICLO

Questo post è in risposta alle richieste di due lettori Giovanni e Flavio che chiedevano qualche chiarimento sul funzionamento della valvola a 4 vie.

Queste valvole sono usate maggiormente in condizionamento sulle pompe di calore per permettere di invertire il ciclo passando dal regime estivo (raffreddamento) al regime caldo (riscaldamento). Oggi sempre più spesso vengono usate in refrigerazione come sistema di sbrinamento visto che questo sistema risulta più efficiente e non si ha la necessità di usare grosse resistenze elettriche.

Dal disegno si deduce che essa è composta da : Una valvola principale a 4 vie e da una piccola elettrovalvola pilota a 3 vie la quale viene montata solitamente sul corpo della valvola principale.

Iniziamo parlando della valvola principale a 4 vie:

 Precisiamo che dei 4 collegamenti presenti sulla valvola principale, 3 li troviamo da un lato con al centro sempre l'aspirazione del compressore, e il quarto sull' altro lato che è sempre lo scarico del compressore.

 I passaggi interni sono commutabili grazie ad un gruppo mobile (posizione 3) di questo gruppo mobile fanno parte anche 2 pistoni (posizione 4) Ognuno dei due pistoni è fornito di un orifizio (posizione 5) ed inoltre è presente una valvola a spillo su ognuno dei 2 pistoni (posizione 6), in ultimo 3 capillari (posizione 7) sono saldati al corpo della valvola principale e collegati alla valvola pilota. 

Ora per capirci meglio prendendo una valvola non collegata al circuito, e alimentando semplicemente la bobina sentiremmo solo il ticchettio della pilota 3 vie, ma nella valvola principale non succederebbe assolutamente niente questo perché essa per funzionare ha bisogno per forza che al suo interno siano presenti sia  l' alta pressione e sia la bassa pressione.

  

La mandate HP, e l'aspirazione del compressore sono sempre collegate come sopra rappresentato,ora a titolo di esempio per raffigurare meglio il funzionamento sostituiremo la valvola pilota a 3 vie con 2 rubinetti manuali (riferimento 5-6) Adesso passiamo al funzionamento vero e proprio: Al centro della valvola la HP esercita una forza sui 2 pistoni che spinge il gruppo verso sinistra (riferimento 1) e nello stesso tempo verso destra (riferimento 2) quindi cosa fa questo gruppo ?? Essendo queste due forze identiche si annullano. Ricordiamo pero' che i due pistoni presentano un orifizio, quindi la HP può passare dietro al pistone di sinistra (riferimento 3) e quindi si avrà una spinta del gruppo verso destra. Contemporaneamente la HP passa ugualmente dietro al pistone di destra (riferimento 4) ma siccome la valvola 6 è aperta e il diametro del capillare di collegamento è molto più grande del diametro dell'orifizio sul pistone, questo fa si che la massa di gas HP che attraversa questo orifizio sia subito aspirate dalla BP. La pressione dietro al pistone di destra (riferimento 4) si stabilizza con la BP. Alla fine la forza più grande dovuta alla HP spinge il gruppo verso destra mettendo in comunicazione la mandata del compressore con la tubazione di sinistra (riferimento 7) e l'aspirazione con la tubazione di destra (riferimento 8).

COMMUTAZIONE

Adesso applicando la HP sulla destra (valvola 6 chiusa) e la BP a sinistra (valvola 5 aperta) la forza dominante spinge il gruppo verso sinistra il quale mette in comunicazione la mandata con la tubazione di destra (riferimento 8) e l'aspirazione con la tubazione di sinistra (riferimento 7) 

 (Alcuni costruttori per avere un effetto amplificato usano la pilota tre vie per aziona una piccola valvola quattro vie che a sua volta va a comandare la quattro vie principale) 

Parliamo ora della valvola pilota:

Dalla descrizione si evince che il funzionamento della valvola 4 vie è possibile grazie alla differenza di pressione tra HP e BP. Per questo lavoro si utilizza la valvola pilota a 3 vie. La via centrale è la via in comune la quale è sempre collegata alla BP.

Quando la bobina non è alimentata la via di destra è chiusa e la via di sinistra è in comunicazione con la BP, viceversa quando la bobina è alimentata la via di destra è messa in comunicazione con la BP e la via di sinistra è chiusa.

Circuito frigorifero a blocchi con valvola 4 vie. 

Non essendo alimentata la bobina dell'elettrovalvola pilota la sua via di sinistra cosi come la parte sinistra del gruppo, è messa in comunicazione con la BP (teniamo sempre presente che il diametro del orifizio sul pistone è molto più piccolo del diametro dei capillari di collegamento) Visto che la HP è sulla destra del gruppo la differenza di pressione tende a spingere bruscamente sulla destra della valvola principale. Arrivando in fondo a sinistra lo spillo presente sul pistone (riferimento A) chiude l'orifizio di collegamento del capillare in modo che interrompa il passaggio di gas, diventato a quel punto inutile. A questo punto la pressione va di nuovo ad equilibrarsi con la HP a sinistra del gruppo ma siccome la HP si trova ugualmente a destra , il gruppo non potrà più cambiare posizione. 

 Ora alimentando la bobina si mette in comunicazione la parte destra del gruppo con la BP ed il gruppo si sposta bruscamente verso destra. Arrivando a fine corsa lo spillo del pistone interrompe il passaggio di gas chiudendo il passaggio di collegamento del capillare.

Per ulteriori chiarimenti contattatemi. 

Sistemi di avviamento RSIR CSIR PSC CSR

Parliamo un po dei motori ermetici monofase:

Normalmente il rotore è del tipo a gabbia di scoiattolo e lo statore presenta solo due avvolgimenti: uno principale (di marcia) e uno ausiliario (di avviamento).
Ed è proprio l'avvolgimento ausiliario che consente, mediante l'uso di opportuni accorgimenti, l'avviamento di questo tipo di motore; infatti, alimentando il solo avvolgimento principale, non si ottiene un campo rotante necessario per porre in rotazione il rotore, ma un campo magnetico alternato che è la risultante dalla sovrapposizione di due vettori rotanti in senso opposto dimezzato rispetto a quello principale. Il rotore in tali condizioni non può mettersi in rotazione, perché viene sollecitato nei due sensi con una coppia di uguale valore.
Però se con l'intervento di una forza esterna lo si lancia in una direzione o nell'altra, si viene a rompere l'equilibrio delle due coppie opposte a favore di quella che sollecita il rotore nel senso della forza esterna.
In questo caso il motore proseguirà nella sua rotazione anche se viene a mancare la forza esterna che l'ha lanciato in rotazione (circuito di spunto).
Diciamo che un compressore frigorifero alternativo presenta una forte coppia in partenza e in alcune condizioni anche durante la marcia a seguito di elevati rapporti di compressione. Il motore elettrico deve essere capace di rispondere a queste esigenze sia in partenza (spunto cioè momento torcente in avviamento) sia in marcia la dove si creano elevati rapporti di compressione (alta pressione di condensazione e bassa pressione di evaporazione)

Il tipo di motore maggiormente utilizzato e il tipo asincrono monofase e trifase (in questo caso ci concentreremo sui motori monofase) essi prevedono vari sistemi di avviamento atti a rispondere alle varie applicazioni.
Sul mercato troviamo fondamentalmente due grosse famiglie di compressori ermetici monofase, e cioè: HST (Hig Starting Torque) che sarebbero quelli che lavorano su circuito a valvola termostatica   o la dove il riequilibrio delle pressioni risulta relativamente lungo con conseguenti coppie di spunto elevate, oppure LST (Low Starting Torque) che lavorano in circuiti a capillare la dove i tempi di riequilibrio delle pressioni sono relativamente brevi e di conseguenza si hanno basse coppie di spunto. In realtà i compressori si suddividono ulteriormente in HBP- LBP rispettivamente: alta espansione e bassa espansione, ma in questo post ci concentreremo sui sistemi di avviamento.

Tutti i compressori ermetici monofase sono split phase (a fase ausiliaria) strutturati in due distinti avvolgimenti (uno dedicato alla marcia e uno per lo spunto) i quali presentano differenze costruttive di base e cioè: avvolgimento di marcia costruito con filo di elevata sezione quindi con bassa impedenza elettrica, e avvolgimento ausiliario di spunto o avviamento, costruito con filo di piccola sezione e quindi un elevata impedenza elettrica (sapendo questo ci torna utile la dove non sappiamo quale sia il circuito di marcia o quello di spunto, con un comune multimetro misurando l'impedenza

troveremo subito i relativi circuiti)

Ora passiamo alle varie configurazioni.

RSIR (Resistence Start Induction Run)

Queso tipo di motore presenta una bassa coppia di spunto infatti non montano un condensatore, sono principalmente utilizzati in impianti a capillare con ridotti rapporti di compressione, durante la marcia se fermate il compressore e dopo due secondi lo volete riaccendere esso non partirà e ci sarà l'intervento del termico (klixson) questo è normale quindi bisognerà semplicemente attendere che le pressioni si equilibrino.

L' avvolgimento di spunto (S-C) di alta impedenza ohmica risulta temporaneamente collegato in parallelo all'avvolgimento di marcia. Un relè amperometrico con bobina in serie all'avvolgimento di marcia comanda la sua inserzione o disinsezione.

CSIR (Capacition Start Induction Run) 

In questo caso la coppia di spunto è discreta (quindi impianti a valvola), un circuito di tipo RSIR non si puo trasformare in CSIR montando un condensatore in serie all'avvolgimento di spunto questo perchè è vero che presentano lo stesso circuito di marcia ma gli avvolgimenti di spunto sono progettati per le due differenti configurazioni.

Notiamo la presenza di un condensatore di spunto SC (quelli neri) in serie all'avvolgimento di spunto, l'inserzione o lo stacco del circuito di spunto con relativo condensatore è gestita dal relè.
Questi motori assorbono una corrente di marcia di quasi 1/3 in meno rispetto a quelli RSIR a parità di potenza e sono anche meno sensibili ai cali di tensione di rete.

PSC (Permanent Split Capacitor)

Questa configurazione non presenta nessun relè, essa è indicata per impianti a capillare anche se a me non piace.

C'è un condensatore in serie al circuito di spunto il quale resta sempre inserito anche dopo lo spunto quindi si usano condensatori la cui capacità è molto inferiore a quella dei condensatori di spunto usati nei motori CSIR.
Questi motori sono costruiti appositamente per questo tipo di lavoro quindi non è possibile prendere un motore ad esempio CSIR e by-passare il relè.

CSR (Capacition Start Run)

Questo è in assoluto il sistema che preferisco, esso permette di avere elevate coppie sia di spunto che di marcia.
In questi casi si utilizza normalmente un relè di tipo voltometrico la cui bobina è inserita dalla tensione indotta presente ai capi dell' avvolgimento di spunto.

Il condensatore di marcia permette elevati valori di coppia anche durante la marcia e quindi risulta particolarmente adatto la dove si presentano elevati rapporti di compressione.



Ora giusto per chiarezza definiamo meglio le sostanziali differenze tra relè voltometrico e quello amperometrico:

Relè amperometrici 

Essi sono costituiti da una bobina con poche spire (proporzionate al passaggio della corrente di spunto) e dei contatti mobili (contatti normalmente aperti) gestiti da una molla. Quando il motore deve partire attraverso la bobina passa una corrente relativamente alta, tale da attrarre il nucleo mobile (questo comporta scintille e usura dei contatti) il quale viene rilasciato subito dopo che il rotore abbia raggiunto circa l'80% della sua velocità di lavoro visto che la corrente si abbassa ai valori di marcia.

                                                          Relè voltometrico

Questi relè si utilizzano per potenze che vanno dai 600-700 W in su', questo perché con l'aumento della potenza del motore aumenta pure la corrente quindi con i relè amperometrici bisognerebbe usare per la bobina del filo troppo grande quindi da escludere.
Essi funzionano sulla tensione anziché sulla corrente,i contatti del gruppo mobile sono normalmente chiusi (si evitano pure le scintille). La bobina di questi relè è costruita da un sottile filo con numerose spire, nella fase di partenza mentre aumenta la velocità del rotore aumenta pure la tensione ai capi del circuito di spunto, quando siamo prossimi al 90% della velocità di marcia la tensione è al punto massimo quindi il gruppo mobile viene attratto con conseguente disinserimento del circuito di spunto.

Esistono anche altri sistemi di avviamento ma diciamo che questi sono i più usati.
.

Per ulteriori informazioni commentate pure.

COMPRESSORI COPELAND SCROLL

Come funziona?

Nel 1905 fu inventato e brevettato dal francese Lèon Creux.

 Lo Scroll non ha valvole, pistoni, bielle, albero a gomiti, non necessita di separatori di liquido, 

e non è rumoroso.                        

Per un uguale rapporto di compressione lo Scroll è in grado di movimentare una portata di refrigerante superiore del 50% rispetto al compressore alternativo a pistoni di pari potenza.

Due spirali evolventi si accoppiano tra di loro formando tasche di gas a forma crescente. La prima spirale rimane fissa, mentre la seconda compie un movimento orbitale rispetto alla prima. Il movimento orbitale fa sì che il gas venga aspirato all'interno e convogliato verso il centro della spirale, dove si crea una pressione del gas sempre più alta. Il gas viene quindi scaricato dalla luce situata sulla spirale fissa. 

Perché la resa degli scroll è superiore a quella degli alternativi?

I compressori scroll hanno il vantaggio rispetto ai compressori alternativi semiermetici di fornire una capacita' che rimane piu' costante al variare del rapporto di compressione e quindi al variare della temperatura di condensazione o della temperatura ambiente a condizioni di evaporazione fisse: questa caratteristica e' dovuta all’efficienza volumetrica dello scroll che rimane circa costante in quanto non e' influenzata dal volume nocivo che penalizza invece i compressori alternativi, che sarà direttamente proporzionale all'aumento del rapporto di compressione. Quindi una bassa evaporazione con un alta condensazione (alto rapporto di compressione) maggiori quantità di gas che  si riespandono nel cilindro alla discesa del pistone, con conseguente calo di efficienza/resa.

Perché sono quasi immuni dai colpi di liquido?

Il design dei compressori Scroll garantisce una adattabilità assiale e radiale (destra e sinistra, su e giù ) tra le due spirali aumentando la vita utile del compressore. Per "adattabilità" si intende la capacità delle spirali di separarsi in condizioni anomale. Questa funzione elimina il contatto che può causare la rottura. La adattabilità assiale permette alla spirale di rimanere in contatto continuo in tutte le normali condizioni di lavoro, assicurando perdite minime anche senza l'uso di guarnizioni. La adattabilità radiale permette alle due spirali di separarsi lateralmente, in modo che i detriti o il refrigerante liquido possano attraversarle, migliorando significativamente la durata e l'affidabilità. La combinazione di adattabilità assiale e adattabilità radiale permette alle spirali di migliorare le prestazioni con l’aumentare dell’utilizzo. Il contatto continuo sul fianco, mantenuto dalla forza centrifuga, riduce al minimo le perdite di gas e ottimizza l'efficienza del compressore.

Come regolare la capacita di uno scroll?

In molti sistemi di refrigerazione il carico può variare all'interno di un ampio intervallo e ciò richiede l'uso del controllo della capacità del compressore. Le tecnologie di modulazione tradizionali includono azionamenti a velocità variabile (i quali sono costosi e comportano alcuni problemi relativi alla riduzione dei giri con conseguente riduzione della lubrificazione), sistemi di scarico, by-pass di gas caldo (iniettano gas caldo in aspirazione con relativo aumento della temperatura statorica) o architettura in parallelo. Alcune di queste soluzioni comportano diversi problemi, in quanto spesso sono complicate e difficili da progettare in apparecchiature esistenti.
Copeland Compliant Scroll™, la modulazione digitale opera in base a un meccanismo semplice. Il controllo della capacità viene ottenuto separando le due spirali in senso assiale per un breve periodo di tempo. Questa semplice soluzione meccanica permette un preciso controllo della temperatura e garantisce l'efficienza del sistema.

La modulazione viene ottenuta con un tempo di ciclo basato sul controllo PWM (Pulse Width Modulation, modulazione ad ampiezza di impulsi) di un'elettrovalvola, la quale aziona un pistone montato in modo rigido sulla spirale superiore. Questo pistone è azionato dalla pressione del gas. L'elettrovalvola si apre per consentire alla piccola camera di modulazione di comunicare con l'aspirazione attraverso la tubazione esterna.

Tempo di ciclo: 20 sec Valvola attiva/aperta: 12 sec e valvola inattiva/chiusa: 8 sec Capacità risultante: 40%. (Speriamo che i nostri amici della PEGO o ELIWELL propongano presto qualche controllore dedicato a questa applicazione)

La tecnologia Digital Scroll offre una modulazione continua 10-100% senza alcuna limitazione del campo operativo. Di conseguenza, le pressioni e le temperature del sistema sono strettamente controllate. I test hanno dimostrato una variazione di temperatura di +/-0,5 K negli espositori. Una maggiore stabilità delle temperature di evaporazione assicura una minore deumidificazione degli alimenti, una minore perdita di peso e una migliore conservazione della qualità degli alimenti. L'accensione e lo spegnimento del compressore vengono ridotti al minimo, assicurando un'efficienza del sistema ottimale e una più lunga aspettativa di vita delle apparecchiature. La possibilità di utilizzo a basse temperature di condensazione fino a 10 °C.

Nota:

Pensiamo ad una macchina di condizionamento quando lavora a pompa di calore......cosa succede quando le temperature sulla batteria esterna vanno sotto zero? L' evaporazione è bassa? La condensazione la vogliamo relativamente alta? Il rapporto di compressione diventa alto? Il compressore risulta sovradimensionato quindi si rende necessario regolare questo eccesso di potenza? Ecco poniamoci queste domande....

Iniezione di vapore: 

Grazie all'impiego della tecnologia Digital Scroll che consente di effettuare delle “iniezioni” di vapore a media pressione all'interno delle spirali, questi sistemi sono in grado di ottenere elevati valori di COP con incrementi fino al 20% rispetto alla tecnologia tradizionale.

Il ciclo ad iniezione di vapore con il compressore scroll e' simile a quello di un ciclo a due stadi (normalmente usati in refrigerazione su impianti a bassissima temperatura) con interstadio di raffreddamento, ma in cui il processo viene realizzato utilizzando un unico compressore.

Ciclo:

Circuito:

 Una parte del refrigerante liquido, dal lato di alta pressione, passa attraverso una valvola di espansione e poi in uno scambiatore di calore a piastre che funziona da sottoraffreddatore. Il vapore surriscaldato e' poi iniettato ad una pressione intermedia nella spirale del compressore scroll: il sottoraffreddamento addizionale aumenta l’effetto frigorifero all'evaporatore in quanto l’entalpia al suo ingresso diminuisce.

KW-COP

Prestazioni riportate da: Copeland Europe Emerson Climate Technologies.

L’efficienza del compressore Scroll ad iniezione di vapore è superiore a quella di un compressore tradizionale Scroll perché la capacità addizionale derivante dall'iniezione di vapore è ottenuta con una minore quantità di potenza assorbita. (Il vapore viene compresso solo a partire dalla pressione intermedia che è superiore rispetto alla pressione di aspirazione) La perdita di carico sulla linea di aspirazione risulta inferiore rispetto a quella di un ciclo tradizionale in quanto la portata in aspirazione e' minore. La riduzione di questo valore può  essere significativa, essendo proporzionale al quadrato della portata: per esempio, ad una riduzione della portata del 40% corrisponde una riduzione della perdita di carico in aspirazione del 64%.

Questo sistema può  anche essere sfruttato per modulare la capacita' del compressore nel caso in cui il carico frigorifero sia basso: utilizzando una valvola solenoide e' possibile escludere il circuito di iniezione vapore riducendo cosi' la capacita' frigorifera.(risulta molto più economico di un variatore di frequenza)
Il guadagno di capacita' che si ottiene e' maggiore in percentuale all'aumentare del rapporto di compressione: questo sistema si adatta bene ad essere utilizzato con l’R404A e risulta migliore rispetto all'impiego di uno scambiatore passivo tra linea liquido ed aspirazione.