Congelatore a bassissima temperatura (ULT)

Considerazioni sulla progettazione degli stadi a bassa temperatura

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1. Sistema di refrigerazione

1.1 Singolo stadio, autocascata o cascata a 2 stadi

I rischi tecnici e la complessità tecnica di queste tre configurazioni sono molto diversi.
Supponendo che vengano utilizzati compressori frigoriferi standard, gli ULT monostadio e autocascata creano pressioni di sovraccarico per il compressore durante la fase di avvio e di estrazione. A seconda della composizione della miscela di refrigerante e delle temperature (ambiente/comparto di raffreddamento), questo sovraccarico può ridurre la durata e l'affidabilità del compressore. Una "buona" configurazione può creare condizioni operative stabili che non danneggiano il compressore durante il normale funzionamento. Il sovraccarico termico (temperatura ambiente più elevata o carico con merci non sufficientemente pre-raffreddate possono generare gravi pressioni di sovraccarico per il compressore.
Gli ULT a due stadi in cascata sono sistemi di raffreddamento altrettanto complessi, che richiedono una buona configurazione di regolazione per i compressori. D'altra parte, gli ULT a due stadi in cascata hanno la possibilità di lavorare con limiti di funzionamento molto più ampi (ad esempio, temperature ambiente massime più elevate) senza sovraccaricare i compressori e garantendo così una durata molto lunga e un'ottima affidabilità.

1.2 Refrigeranti

Le proprietà termodinamiche del refrigerante sono la chiave per raggiungere temperature adeguate per la condensazione e l'evaporazione e per ottenere una capacità di raffreddamento sufficiente. Per coprire il divario di temperatura tra la temperatura ambiente (condensazione) e le temperature del compartimento ULT (evaporazione a -90°C o meno), è necessario un refrigerante molto speciale per creare condizioni di lavoro accettabili (pressioni, flusso di massa del refrigerante) per il compressore. Alle temperature di evaporazione ULT, i refrigeranti della refrigerazione standard (ad es. R290, R404A...) hanno una capacità di raffreddamento estremamente bassa, poiché la pressione e la densità del gas di aspirazione sono molto basse. È necessario selezionare refrigeranti con una capacità di raffreddamento più elevata alla temperatura di evaporazione ULT. Purtroppo, questi refrigeranti (o miscele di refrigeranti) creano pressioni molto elevate quando condensano alla normale temperatura ambiente.
Forse un giorno la ricerca chimica sarà in grado di fornire un refrigerante con proprietà termodinamiche ottimizzate per l'ULT, ma attualmente gli ULT monostadio soffrono di bassa capacità di raffreddamento (grandi dimensioni e compressore inefficace) o di alte pressioni di condensazione (sicurezza, affidabilità).
Il tipo di refrigerante e le fasi di temperatura (condensazione, evaporazione, temperatura intermedia nei sistemi a due stadi) devono essere scelti e impostati in modo da non superare per troppo tempo le pressioni di esercizio consentite del compressore (ad esempio, pubblicate nella scheda tecnica).

1.3 Raccomandazione

Per evitare il rischio di un guasto al compressore e la perdita di merci preziose all'interno di un congelatore ULT, Secop raccomanda di preferire sistemi di refrigerazione ULT con cascata a due stadi.

3. Pull down

Durante il pull down, è molto probabile che si verifichino pressioni di sovraccarico sul lato della condensazione per molti tipi di refrigeranti e miscele di refrigeranti compatibili con l'ULT.
Queste pressioni di sovraccarico possono ridurre la durata del compressore e potrebbero non essere consentite dal punto di vista legale. Come mezzo efficace per evitare pressioni critiche, si raccomanda di installare un interruttore di sicurezza per alta pressione nel lato di alta pressione del circuito di refrigerazione ULT, per interrompere il compressore quando la pressione di scarico aumenta a un livello critico.
L'attivazione multipla dell'interruttore di sicurezza per l'alta pressione può verificarsi durante la prima fase del pull down. La velocità dell'evento di pull down sarà leggermente rallentata, ma la sicurezza complessiva sarà garantita al miglior livello possibile.
Quando nel circuito di refrigerazione dell'ULT è installato un compressore a velocità variabile, occorre verificare se è possibile evitare pressioni critiche mantenendo bassa la velocità del motore del compressore durante la prima fase di pull down.

5. Blocco del tubo capillare (stadio a bassa temperatura)

Se la temperatura di evaporazione dello stadio a bassa temperatura è molto bassa, il rischio di intasamento/congelamento dell'olio diventa sempre più realistico. La prima posizione all'interno del sistema di refrigerazione in cui si possono verificare temperature sufficientemente basse per l'intasamento dell'olio è il tubo capillare. Purtroppo, in questa posizione l'olio congelato può bloccare l'intero processo di refrigerazione. L'ostruzione del capillare provoca la diminuzione della pressione di evaporazione nello stadio a bassa temperatura. La capacità di raffreddamento si riduce a zero quando il liquido rimanente dell'evaporatore si trasforma in gas.

5.1 Separatore d'olio necessario

Il congelamento dell'olio è un processo che richiede un certo tempo a seconda delle temperature, delle proprietà dell'olio e della quantità di olio in circolazione. Per ridurre al minimo il rischio di blocco del capillare a causa dell'olio congelato e per consentire lunghi intervalli tra gli sbrinamenti, si consiglia di installare un separatore d'olio appropriato tra la mandata del compressore e l'ingresso del condensatore dello stadio a bassa temperatura. Analizzare attentamente il comportamento di blocco del tubo capillare del sistema di refrigerazione per definire algoritmi di sbrinamento con il minor impatto possibile sulle temperature del vano frigorifero.

5.2 Cosa succede durante il blocco

L'analisi diretta dei tubi capillari bloccati che consente di isolare il materiale bloccante è molto difficile, poiché i residui si sciolgono/evaporano nuovamente quando le temperature hanno raggiunto un livello adeguato per essere maneggiati manualmente e la posizione del blocco non può essere identificata dall'esterno.
Sulla base delle misure di temperatura, pressione e tempo, si possono fare alcune ipotesi:

• I blocchi sono meno frequenti quando si utilizza un separatore d'olio: L'olio stesso o "qualcosa" trasportato dall'olio o disciolto nell'olio si solidifica.
• Il tempo di ciclo da un blocco del tubo capillare all'altro è lungo e quasi costante: l'accumulo del materiale bloccante avviene lentamente e costantemente.
• Prima del blocco totale, si verifica una significativa perdita di pressione all'interno dell'evaporatore: Solo quando una grande frazione della sezione trasversale del capillare è ostruita, la pressione di evaporazione diminuisce in modo significativo. L'alimentazione del refrigerante nell'evaporatore viene quasi interrotta e il surriscaldamento dell'evaporatore aumenta rapidamente. Di conseguenza, la potenza frigorifera si riduce a zero, mentre il compressore funziona quasi alla capacità normale (il consumo energetico diminuisce). La diminuzione della pressione di evaporazione causerà un'ulteriore diminuzione della temperatura all'interno del tubo capillare, accelerando il blocco finale del tubo capillare.
• Il diametro interno del tubo capillare influisce sul tempo di ciclo del blocco del tubo capillare. L'utilizzo di un diametro interno comparabilmente "piccolo" (con lunghezza adattata) per il tubo capillare richiede meno "materiale" per l'intasamento, poiché la temperatura e il flusso di massa del refrigerante dovrebbero essere uguali se si utilizza un tubo capillare stretto o largo. Tuttavia, la velocità di flusso del refrigerante all'interno di un capillare stretto e largo sarà diversa. Questo avrà probabilmente un effetto di compensazione.
• L'utilizzo di una valvola di espansione termostatica al posto del tubo capillare sembra essere una buona idea per evitare la perdita di capacità di raffreddamento dovuta a un tubo capillare bloccato. Attualmente non esistono valvole di espansione (di piccole dimensioni) disponibili sul mercato per temperature fino a -100°C.

5.3 Interruttore di bassa pressione

Quando il capillare è bloccato, o anche quando è quasi bloccato, ogni ulteriore operazione del compressore aumenterà lo sforzo (tempo, energia termica necessaria) per ripristinare il funzionamento normale (sbrinamento del capillare), mentre le prestazioni di raffreddamento all'interno dell'evaporatore sono già prossime allo zero.
Un ottimo indicatore di un tubo capillare bloccato è una pressione insolitamente bassa all'interno dell'evaporatore. Un interruttore di bassa pressione (con una pressione aperta di circa il 30% inferiore alla pressione di evaporazione normale più bassa) può fornire un segnale rapido e affidabile per interrompere il raffreddamento e avviare lo sbrinamento.
Se le reazioni a un tubo capillare bloccato sono rapide, la perdita di raffreddamento, il picco di temperatura e il tempo di recupero della temperatura all'interno del vano di raffreddamento possono essere mantenuti bassi.
Un funzionamento prolungato con il tubo capillare bloccato porterà al funzionamento del compressore senza un flusso di massa di refrigerante a una pressione di evaporazione molto bassa (al di fuori dei limiti di pressione rilasciati) > Il compressore può essere danneggiato dal funzionamento in questa condizione (interruzione tardiva della protezione a causa di un carico estremamente basso > surriscaldamento del motore).

5.4 Sbrinamento del tubo capillare

Il mancato avvio di misure attive (tramite il controllo dell'armadio) in caso di blocco di un tubo capillare comporta un lungo periodo di tempo per il ritorno al funzionamento normale (funzionamento del compressore fino all'interruzione della protezione del motore, sbrinamento naturale quando il compressore è fermo). Per mantenere l'aumento della temperatura all'interno del vano frigorifero al livello più basso possibile, è necessario arrestare e sbrinare immediatamente il compressore quando il tubo capillare si blocca.
Se viene individuato un tubo capillare bloccato, il compressore deve essere fermato per evitare un ulteriore raffreddamento e congelamento del tubo capillare e dell'ambiente. Per consentire nuovamente il normale funzionamento, è necessario riscaldare la sezione intasata del tubo capillare per sciogliere l'ostruzione. Non è possibile prevedere con precisione la posizione della sezione intasata (molto probabilmente nell'ultimo terzo del tubo capillare) e può variare da caso a caso.

• Sbrinamento naturale
  Lo spegnimento del compressore senza riscaldare attivamente il tubo capillare (utilizzando solo la conduzione del calore) è sufficiente per lo sbrinamento in molti casi. Il tempo di spegnimento del compressore necessario per lo sbrinamento è specifico per ogni modello di armadio e può dipendere anche dalla temperatura ambiente (perdite nell'isolamento del tubo capillare).
• Sbrinamento con riscaldatore a tubo capillare
  La fusione di un tubo capillare bloccato può essere accelerata riscaldando il tubo capillare con un riscaldatore esterno quando il compressore è spento. La durata e la potenza del riscaldamento devono essere regolate con attenzione. Il riscaldamento dell'ultimo terzo del tubo capillare dovrebbe essere sufficiente per ottenere l'effetto desiderato.
• Lo sbrinamento deve essere avviato immediatamente se il tubo capillare si blocca.
  Lo sbrinamento preventivo con un tempo di ciclo fisso aiuta molto a evitare lunghi tempi di recupero e l'aumento della temperatura nel vano di raffreddamento.
• L'installazione di un separatore d'olio riduce notevolmente la necessità di sbrinamento.

7. Regolazione della capacità di un ULT a 2 stadi in cascata (compressori a velocità fissa o variabile)

In generale, entrambi i compressori di un sistema di refrigerazione in cascata a 2 stadi possono essere realizzati con compressori a velocità fissa o variabile.

• Compressori a velocità fissa in entrambi gli stadi - ingresso a temperatura singola
  Il controllo di accensione e spegnimento per entrambi gli stadi può essere effettuato con riferimento alla sola temperatura del vano frigorifero. In questo caso, il compressore di uno stadio ad alta temperatura deve essere avviato per primo; il secondo stadio deve essere avviato con un ragionevole ritardo per evitare un consumo di corrente eccessivo. La stabilità della temperatura di raffreddamento e l'efficienza energetica sono solo moderate in questa configurazione.
• Compressori a velocità fissa in entrambi gli stadi - ingresso di temperatura separato per entrambi gli stadi
  Entrambi i compressori si avviano e si arrestano in modo indipendente (stadio ad alta temperatura <> temperatura dell'intercooler, stadio a bassa temperatura <> temperatura del vano di raffreddamento). Il controllo dell'armadio deve garantire che i due compressori non si avviino contemporaneamente per evitare un consumo di corrente di picco molto elevato. Lo spegnimento del compressore dello stadio a bassa temperatura mentre il compressore dello stadio ad alta temperatura è ancora in funzione può causare il ritorno di una grande quantità di refrigerante liquido al compressore dello stadio ad alta temperatura > si raccomanda l'installazione di un ricevitore di liquido nella linea di aspirazione dello stadio ad alta temperatura. La stabilità della temperatura di raffreddamento è solo moderata; l'efficienza energetica in questa configurazione può essere migliore rispetto a quella di un singolo ingresso di temperatura.
• Combinazione di compressore a velocità fissa e compressore a velocità variabile
  Idealmente, il compressore a velocità variabile dovrebbe essere utilizzato per gli stadi a bassa temperatura per ottenere una temperatura molto stabile all'interno del vano di raffreddamento. È necessario un ingresso di temperatura separato per la regolazione della capacità di entrambi gli stadi in cascata (stadio ad alta temperatura <> temperatura dell'intercooler, stadio a bassa temperatura <> temperatura del vano di raffreddamento). Il consumo di energia può essere inferiore a quello dei compressori a velocità fissa (negli stadi a bassa temperatura), poiché la temperatura di evaporazione più bassa della configurazione con compressore a velocità variabile può essere più elevata rispetto a quella di una configurazione con compressore a velocità fissa.
• Combinazione di due compressori a velocità variabile
  È necessario un ingresso di temperatura separato per la regolazione della capacità di entrambi gli stadi in cascata (stadio ad alta temperatura <> temperatura dell'intercooler, stadio a bassa temperatura <> temperatura del vano di raffreddamento). Il consumo energetico e la stabilità della temperatura del vano di raffreddamento sono ottimali con questa configurazione.