A evaporatore allagato funziona mantenendo la serpentina dell'evaporatore, o la superficie di trasferimento del calore, sostanzialmente piena di refrigerante liquido. Ciò consente al refrigerante di bollire continuamente mentre assorbe calore dal fluido o dallo spazio da raffreddare. A differenza di un evaporatore convenzionale a espansione secca, che controlla l'alimentazione di refrigerante per mantenere il vapore surriscaldato all'uscita, un sistema allagato controlla l'inventario di refrigerante e il livello del liquido per garantire che la superficie di trasferimento del calore rimanga bagnata. ASHRAE osserva che gli evaporatori allagati sono particolarmente utili quando è desiderabile una piccola differenza di temperatura tra il refrigerante e il mezzo da raffreddare.
Pertanto, il principio operativo si basa sul controllo del livello del liquido, sulla bollitura continua, sulla separazione vapore-liquido e sul ritorno controllato del refrigerante al compressore. A seconda della progettazione del sistema, la circolazione del refrigerante può avvenire naturalmente per gravità e azione termosifone, oppure può essere potenziata da una pompa per il refrigerante liquido. Un serbatoio di surriscaldamento o un ricevitore a bassa pressione sono comunemente utilizzati per gestire il livello del refrigerante e impedire che il liquido raggiunga il compressore.
Che cos'è un evaporatore allagato?
Un evaporatore allagato è un tipo di evaporatore per refrigerazione in cui la superficie di trasferimento del calore rimane a contatto con il refrigerante liquido durante tutto il processo operativo. Anziché alimentare solo la quantità di refrigerante che può evaporare completamente prima di lasciare la serpentina, il sistema mantiene deliberatamente un surplus di liquido, consentendo la bollitura su una parte significativa della superficie dell'evaporatore.
Questa configurazione è particolarmente utile in applicazioni in cui sono importanti le prestazioni di trasferimento del calore e una piccola differenza di temperatura di approccio. ASHRAE spiega che un evaporatore allagato può essere preferibile quando è richiesta solo una piccola differenza di temperatura tra il refrigerante e il mezzo da raffreddare. Ciò risulta particolarmente vantaggioso nella refrigerazione a bassa temperatura.
Il termine ‘allagato’ non implica una carica di refrigerante incontrollata o eccessiva. Il livello del liquido viene gestito intenzionalmente tramite una valvola a galleggiante, un sensore di livello o un meccanismo di controllo simile. Il sistema ha quindi un inventario operativo definito e un'interfaccia liquido-vapore controllata.
In molti sistemi di refrigerazione industriale, l'evaporatore è collegato a un serbatoio di surriscaldamento o a un recipiente a bassa pressione. Il refrigerante liquido entra nell'evaporatore, assorbe calore e bolle; la miscela liquido-vapore risultante ritorna poi nel recipiente. Il vapore viene separato e diretto verso la linea di aspirazione del compressore, mentre il liquido rimane disponibile per la circolazione continua.
Come funziona passo dopo passo un evaporatore allagato?
Il modo più semplice per comprendere un evaporatore allagato è seguire il refrigerante attraverso il sistema piuttosto che considerare l'evaporatore come uno scambiatore di calore isolato.
Primo, il refrigerante liquido ad alta pressione esce dal condensatore o dal ricevitore e passa attraverso un dispositivo di controllo del refrigerante. A seconda della configurazione del sistema, questo può includere un galleggiante lato alto, un galleggiante lato basso, una valvola solenoide, una valvola di espansione manuale o un altro sistema di controllo del livello. Lo scopo non è principalmente quello di creare un surriscaldamento specifico all'uscita, come accadrebbe in un tipico sistema DX, ma di fornire all'evaporatore refrigerante sufficiente per mantenere il livello liquido richiesto. ASHRAE descrive il controllo tramite galleggiante lato basso come un metodo comune nei sistemi allagati: quando il livello del liquido lato basso scende, il galleggiante apre la valvola e permette l'ingresso di ulteriore refrigerante liquido nell'evaporatore o nel serbatoio di surriscaldamento.
Secondo, il refrigerante liquido occupa la superficie di trasferimento del calore dell'evaporatore. Il calore proveniente dall'acqua, dalla salamoia, dall'aria, dal fluido di processo o da un altro mezzo passa attraverso la parete di trasferimento del calore fino al refrigerante. Poiché il refrigerante viene mantenuto nella sua condizione di saturazione alla pressione di evaporazione, questo calore fa sì che il refrigerante liquido bolla.
Terzo, si formano bolle di vapore che salgono attraverso il liquido. Man mano che ulteriore calore entra nell'evaporatore, sempre più refrigerante cambia da liquido a vapore. In un raffreddatore allagato a tubi e serbatoio, per esempio, il refrigerante può circondare tubi che trasportano acqua o salamoia, con il fluido di processo più caldo che trasferisce calore attraverso le pareti dei tubi al refrigerante circostante. ASHRAE descrive questa configurazione come la vaporizzazione del refrigerante all'esterno dei tubi immersi nel refrigerante liquido.
Quarto, la miscela vapore-liquido raggiunge una regione di separazione o un serbatoio di surriscaldamento. Il vapore deve essere separato dalle gocce di liquido prima di entrare nella linea di aspirazione del compressore. Deflettori, spazi di caduta, separatori o recipienti opportunamente progettati possono ridurre il trascinamento di liquido. ASHRAE nota specificamente che la separazione del vapore è necessaria nei raffreddatori allagati perché la bollitura può generare nebbia di refrigerante che altrimenti potrebbe dirigersi verso il compressore.
Infine, il vapore di refrigerante viaggia verso il compressore. Il compressore rimuove il vapore a bassa pressione dal lato di evaporazione e ne aumenta pressione e temperatura, dopodiché il refrigerante prosegue verso il condensatore e il resto del ciclo di refrigerazione.
Perché un evaporatore allagato mantiene il refrigerante liquido nella serpentina?
La ragione ingegneristica centrale è l'utilizzo del trasferimento di calore. Una superficie di trasferimento del calore ricoperta da refrigerante liquido in ebollizione può rimanere attiva su gran parte dell'evaporatore, mentre una serpentina a espansione secca normalmente passa da una regione ricca di liquido verso un flusso sempre più ricco di vapore e infine vapore surriscaldato.
Mantenere il refrigerante liquido intorno alla superficie di trasferimento del calore fornisce una condizione di ebollizione relativamente stabile. La temperatura del refrigerante è strettamente correlata alla sua pressione di saturazione, quindi l'evaporatore può operare con una differenza di temperatura relativamente piccola tra il refrigerante e il mezzo da raffreddare. Questa caratteristica è uno dei motivi per cui gli evaporatori allagati sono ampiamente considerati per applicazioni di refrigerazione a bassa temperatura e industriale.
Tuttavia, mantenere la copertura liquida non significa che più refrigerante sia sempre meglio. Un inventario eccessivo di liquido può aumentare la carica di refrigerante e creare sfide nel controllo o nella protezione del compressore. L'obiettivo è mantenere il livello operativo e la velocità di circolazione appropriati, garantendo al tempo stesso che il vapore possa uscire dall'evaporatore senza un significativo trascinamento di liquido.
| Caratteristica operativa | Evaporatore allagato | Tipico evaporatore a espansione secca |
| Condizione del refrigerante nell'evaporatore | Prevalentemente liquido con ebollizione attiva | Miscela liquido-vapore che progredisce verso il vapore |
| Principio principale di controllo | Livello/inventario del refrigerante | Surriscaldamento all'uscita |
| Superficie di trasferimento del calore | Mantenuta sostanzialmente bagnata | Si asciuga gradualmente verso l'uscita |
| Condizione all'uscita | Vapore separato dal liquido | Normalmente vapore surriscaldato |
| Tipico dispositivo di controllo | Galleggiante, sensore di livello, pompa o controllo correlato | TXV, EEV o dispositivo di misurazione simile |
| Carica di refrigerante | Generalmente più alta | Generalmente più bassa |
| Protezione del compressore | Richiede una separazione efficace del liquido | Il controllo del surriscaldamento aiuta a limitare il ritorno di liquido |
| Vantaggio comune | Alta efficienza di trasferimento del calore e piccola differenza di temperatura | Controllo più semplice del refrigerante e carica inferiore |
Cosa controlla il livello del refrigerante in un evaporatore allagato?
Una delle caratteristiche distintive di un evaporatore allagato è il controllo del livello del liquido. Il sistema di controllo deve bilanciare continuamente la quantità di refrigerante che entra nel lato a bassa pressione con la quantità di refrigerante che bolle e viene espulso sotto forma di vapore.
Un approccio consolidato è la valvola a galleggiante sul lato basso. Quando il livello del liquido nell'evaporatore o nella vasca di surriscaldamento scende, il meccanismo del galleggiante apre l'ingresso del refrigerante per permettere a più liquido di entrare. Quando il livello sale, la valvola si chiude o limita l'alimentazione. L'ASHRAE descrive questa configurazione come un sistema a galleggiante sul lato a bassa pressione, sottolineando che il galleggiante può essere installato direttamente nell'evaporatore o nella vasca di surriscaldamento, oppure in una camera esterna collegata tramite linee di equilibrio.
Può essere utilizzato anche un controllo a galleggiante sul lato alto. In questa configurazione, il livello del liquido sul lato alto influenza l'alimentazione di refrigerante nella parte a bassa pressione del sistema. Altri sistemi usano sensori elettronici di livello, sonde capacitivi, valvole solenoide o controlli basati su PLC. L'ASHRAE nota che le sonde capacitivi possono fornire un monitoraggio continuo del livello del liquido e trasmettere il segnale risultante a un sistema di controllo.
La distinzione importante è che l'obiettivo del controllo è mantenere l'inventario di refrigerante all'interno dell'evaporatore o della vasca associata, piuttosto che mantenere un surriscaldamento predefinito all'uscita dell'evaporatore. L'ASHRAE afferma inoltre che le valvole di espansione termostatiche sono raramente utilizzate per gli evaporatori allagati, poiché il surriscaldamento richiesto è inconsistente e rende difficile mantenere l'evaporatore allagato.
Come circola il refrigerante attraverso un evaporatore allagato?
Esistono due principali approcci alla circolazione: circolazione per gravità/termosifone e circolazione forzata mediante una pompa per refrigerante.
In un sistema a gravità o termosifone, la differenza di densità tra il refrigerante liquido e la miscela vapore-liquido fornisce la forza motrice per la circolazione. Il refrigerante entra nell'evaporatore, assorbe calore e bolle; la miscela risultante torna verso la vasca di surriscaldamento. Il vapore si separa dal liquido, mentre il liquido rimane disponibile per circolare nell'evaporatore. L'ASHRAE identifica specificamente gli effetti di gravità e termosifone come base per la circolazione naturale nelle configurazioni di evaporatori allagati.
La circolazione forzata utilizza una pompa per refrigerante liquido per stabilire un flusso più positivo e prevedibile attraverso l'evaporatore. Questo può essere vantaggioso quando è richiesta una velocità di circolazione più elevata o quando la disposizione fisica del sistema non garantisce una circolazione naturale sufficiente. L'ASHRAE descrive la pompa per refrigerante liquido come un mezzo per ottenere una velocità di circolazione più alta e più prevedibile.
La differenza può essere riassunta come segue:
| Metodo di circolazione | Come funziona | Vantaggio tipico | Considerazione principale |
| Circolazione per gravità | Le differenze di densità guidano il movimento del refrigerante | Disposizione semplice e affidabile | Richiede un'adeguata elevazione e tubazioni |
| Circolazione termosifone | La differenza di densità indotta dalla bollitura guida il flusso | Buona circolazione passiva | La geometria del sistema è importante |
| Circolazione pompata | La pompa per refrigerante spinge il liquido attraverso l'evaporatore | Velocità di circolazione più alta e più controllabile | Aggiunge pompa, controlli e requisiti di manutenzione |
Cosa succede al refrigerante dopo che bolle?
Il fatto che qualcosa stia bollendo non significa che ogni molecola di refrigerante diventi immediatamente vapore. L'uscita dell'evaporatore può contenere una miscela di liquido e vapore, specialmente in una configurazione allagata. Pertanto, questa miscela deve essere gestita con cura prima che il vapore raggiunga il compressore.
La vasca di surriscaldamento o il ricevitore a bassa pressione forniscono lo spazio necessario affinché avvenga questa separazione. Il refrigerante liquido rimane nella vasca mentre il vapore si muove verso la linea di aspirazione del compressore. Una paratia o un altro elemento interno di separazione possono ridurre la schiuma e l'entrata di liquido. L'ASHRAE raccomanda specificamente disposizioni di separazione nei sistemi allagati per evitare che il liquido entri nella linea di aspirazione.
È importante comprendere la differenza tra un sistema allagato e il semplice presupposto che il refrigerante liquido ritorni al compressore. Lo scopo della configurazione allagata è alimentare l'evaporatore con liquido e impedire che refrigerante liquido non controllato entri nel compressore. Il carryover di liquido può causare gravi problemi meccanici e operativi, quindi il percorso di aspirazione deve essere progettato per fornire vapore e garantire una protezione adeguata del compressore.
La gestione dell'olio è un'altra considerazione. L'olio da refrigerazione circola insieme al refrigerante, e un evaporatore allagato può creare condizioni in cui l'olio si accumula sul lato a bassa pressione. L'ASHRAE discute pertanto di disposizioni dedicate al ritorno dell'olio per i sistemi allagati, inclusi metodi che riportano una corrente di refrigerante ricca di olio al circuito del compressore.
Quali sono i vantaggi di un evaporatore allagato?
Il vantaggio più importante è l'utilizzo efficace della superficie di trasferimento del calore. Poiché il refrigerante liquido viene mantenuto su gran parte dell'evaporatore, una proporzione significativa della superficie disponibile può partecipare al processo di trasferimento di calore per ebollizione, anziché surriscaldarsi progressivamente verso l'uscita.
Un secondo vantaggio è la capacità di operare con una piccola differenza di temperatura tra il refrigerante e il mezzo raffreddato. Ciò è particolarmente prezioso quando il processo richiede un controllo preciso a basse temperature o quando minimizzare l'approccio di temperatura può migliorare le prestazioni del sistema. L'ASHRAE identifica esplicitamente la piccola differenza di temperatura come motivo chiave per scegliere evaporatori allagati.
Un terzo beneficio è che i sistemi allagati funzionano particolarmente bene con grandi scambiatori di calore industriali e sistemi di refrigerazione centralizzati. I raffreddatori allagati a fascio tubiero, ad esempio, sono spesso utilizzati insieme a compressori a vite o centrifughi per raffreddare acqua, miscele di glicole o salamoia.
Anche i compromessi sono altrettanto importanti. I sistemi allagati generalmente richiedono una carica di refrigerante maggiore e sistemi più sofisticati per il controllo del livello del liquido e della gestione dell'olio rispetto ai sistemi DX di base. Protezione del compressore, separazione del refrigerante, dimensionamento della vasca, linee di equilibrio e stabilità del controllo devono tutti essere presi in considerazione durante la progettazione del sistema.
Evaporatore allagato vs. evaporatore DX: qual è la differenza?
La differenza fondamentale sta in ciò che il sistema cerca di controllare. Un evaporatore a espansione secca, o DX, tipicamente controlla il flusso di refrigerante in modo che sia quasi completamente evaporato prima di arrivare all'uscita, lasciando dietro di sé vapore surriscaldato. Al contrario, un evaporatore allagato mantiene un inventario di refrigerante liquido, assicurando che l'evaporatore rimanga bagnato e che il vapore venga separato altrove nel sistema.
Questa differenza ha un impatto sull'intera architettura di refrigerazione. Mentre un sistema DX può utilizzare una valvola di espansione termostatica o elettronica come dispositivo principale di dosaggio, un sistema allagato dipende da una valvola a galleggiante e da una vasca di surriscaldamento. Anche la linea di aspirazione del compressore in un sistema allagato richiede un'attenzione particolare alla separazione vapore-liquido.
Nessuno dei due approcci è universalmente adatto per ogni installazione di refrigerazione. La configurazione più appropriata dipende da fattori quali capacità, tipo di refrigerante, livello di temperatura, design dello scambiatore di calore, tipo di compressore, considerazioni sulla carica di refrigerante, requisiti di controllo e l'intervallo operativo desiderato.
Quali problemi possono verificarsi in un evaporatore allagato?
Un evaporatore allagato può perdere prestazioni quando il livello del refrigerante, la velocità di circolazione, l'efficienza di separazione o il ritorno dell'olio si discostano dalle condizioni operative previste. Un livello troppo basso di liquido può esporre parte della superficie di trasferimento del calore e ridurre la capacità dell'evaporatore, mentre un livello eccessivo di liquido può aumentare il rischio di carryover di liquido e interferire con il funzionamento stabile.
La rilevazione imprecisa del livello è un altro potenziale problema. Il refrigerante in ebollizione non è un liquido perfettamente calmo, pertanto il sensore di livello può subire fluttuazioni causate da bolle, schiuma, variazioni di pressione o olio. L'ASHRAE avverte specificamente che l'ambiente di ebollizione può generare letture di livello errate e discute l'utilizzo di opportuni sistemi di rilevazione sul lato basso.
Anche l'accumulo di olio può ridurre l'efficacia della trasmissione termica. Se l'olio forma una pellicola sulle superfici di scambio termico, la resistenza termica aggiuntiva può ostacolare l'ebollizione del refrigerante e diminuire la capacità operativa. Allo stesso tempo, un ritorno insufficiente di olio può alla fine compromettere la lubrificazione del compressore.
Un'altra preoccupazione ingegneristica comune è il fenomeno del floodback durante l'avvio o lo spegnimento. L'ASHRAE osserva che, quando si utilizza una valvola a galleggiante sul lato basso, l'alimentazione di refrigerante potrebbe dover essere interrotta quando il compressore o la valvola di aspirazione si fermano; in caso contrario, il refrigerante in eccesso potrebbe accumularsi e tornare eventualmente sotto forma liquida al riavvio dell'impianto.
Dove sono comunemente utilizzati gli evaporatori flooded?
Gli evaporatori flooded sono particolarmente importanti nella refrigerazione industriale, nel raffreddamento di processi e nei grandi sistemi a fluidi refrigeranti. Vengono impiegati anche in applicazioni a bassa temperatura, nella lavorazione alimentare, nella conservazione a freddo e nel trattamento chimico, nonché in altre installazioni in cui la performance di trasmissione termica e il funzionamento stabile a basse temperature rivestono un'importanza fondamentale. Il Refrigeration Handbook dell'ASHRAE tratta le configurazioni flooded per una vasta gamma di applicazioni, tra cui la lavorazione alimentare, la refrigerazione industriale, gli impianti chimici e altri sistemi di refrigerazione specializzati.
I grandi refrigeratori flooded a scambiatore tubo-caldaia rappresentano un esempio significativo. In questi sistemi, acqua, salamoia o glicole scorrono all'interno dei tubi, mentre il refrigerante circonda i tubi e bolle all'esterno di essi. La grande superficie di scambio termico e la possibilità di controllare il livello del refrigerante rendono questa configurazione estremamente interessante per applicazioni ad alta capacità.
Nel valutare un evaporatore flooded per un progetto industriale, dunque, gli ingegneri dovrebbero guardare oltre la capacità nominale dell'evaporatore. Occorre considerare insieme il tipo di refrigerante, la pressione di esercizio, il livello del liquido, il metodo di circolazione, il volume del serbatoio di surriscaldamento, le caratteristiche del compressore, il ritorno dell'olio, l'efficienza della separazione, la risposta dei sistemi di controllo e la carica di refrigerante. È meglio comprendere un evaporatore flooded come parte integrante di un circuito di refrigerazione integrato piuttosto che limitarsi a considerarlo soltanto come una variante alternativa della batteria di scambio termico.
FAQ sugli evaporatori flooded
- Che cos'è un evaporatore allagato?
Un evaporatore allagato è uno scambiatore di calore per refrigerazione che funziona con la sua superficie di trasferimento termico sostanzialmente ricoperta da refrigerante liquido. Il refrigerante bolle assorbendo calore, mentre un sistema separato di controllo e separazione gestisce il livello del liquido e il ritorno del vapore.
- Come controlla il flusso di refrigerante un evaporatore allagato?
Di solito utilizza una valvola a galleggiante o un sistema di rilevamento del livello del liquido per mantenere il livello richiesto di refrigerante. Alcuni design impiegano anche valvole solenoide, sistemi elettronici di controllo del livello o una pompa di circolazione del refrigerante.
- Qual è la differenza tra un evaporatore allagato e un evaporatore DX?
Un evaporatore allagato mantiene il refrigerante liquido nello scambiatore di calore, mentre un evaporatore DX dosa il refrigerante in modo che esso sia ampiamente evaporato prima di lasciare la serpentina. I sistemi DX tipicamente controllano il surriscaldamento all'uscita, mentre i sistemi allagati controllano principalmente il livello e la circolazione del refrigerante.
- Perché si usa un serbatoio di surriscaldamento con un evaporatore allagato?
Un serbatoio di surriscaldamento fornisce un inventario di refrigerante e crea uno spazio in cui liquido e vapore possono separarsi. Aiuta a fornire liquido indietro all'evaporatore mentre dirige il vapore verso la linea di aspirazione del compressore.
- Può un evaporatore allagato utilizzare una pompa per il refrigerante?
Sì. I sistemi allagati con pompa utilizzano una pompa per il refrigerante liquido per garantire una velocità di circolazione più positiva attraverso l'evaporatore. L'ASHRAE identifica la circolazione tramite pompa come opzione quando è desiderabile una velocità di circolazione più elevata.
- Quali sono i principali svantaggi di un evaporatore allagato?
I sistemi allagati generalmente richiedono una carica di refrigerante maggiore e una maggiore attenzione al controllo del livello del liquido, alla separazione del vapore, al ritorno dell'olio e alla protezione del compressore. I loro componenti aggiuntivi possono rendere il sistema più complesso rispetto a una configurazione DX convenzionale.
Conclusione
Lo scopo di un evaporatore allagato è mantenere il refrigerante liquido su tutta la superficie di trasferimento termico, consentendo un'ebollizione efficiente man mano che il calore entra nel sistema di refrigerazione. Il livello del refrigerante viene controllato mediante metodi a galleggiante o elettronici. La circolazione avviene per gravità, per azione termosifonica o tramite una pompa. La miscela vapore-liquido risultante viene separata prima che il vapore raggiunga il compressore.
Il vero valore ingegneristico di un evaporatore allagato non risiede semplicemente nel fatto che contiene ‘più liquido’. È vantaggioso perché mantiene un contatto efficace del refrigerante con la superficie di trasferimento termico, permettendo al sistema di operare con una differenza di temperatura relativamente ridotta. Tuttavia, un funzionamento efficace dipende anche da una gestione accurata del livello del liquido, da una corretta separazione del vapore, da un ritorno affidabile dell'olio e dalla protezione contro il riflusso di liquido. Sono questi fattori che spiegano perché gli evaporatori allagati rimangono una configurazione importante per i sistemi di refrigerazione di grande capacità e industriali.