Onda. Hybrid Film, evaporatore efficiente e compatto

Hybrid Film EvaporatorNegli ultimi due anni Onda ha potenziato e perfezionato il suo prodotto più innovativo, chiamato Hybrid Film Evaporator, per adattarlo il più possibile alle molteplici esigenze del mercato. Si è in tal modo consolidato un prodotto assolutamente “green”, estremamente flessibile, particolarmente adatto al settore del condizionamento dell’aria ad alta efficienza con tutti i più comuni refrigeranti a bassa pressione come R134a, R1234ze, R513A, R515B, R1233zd.

L’Hybrid Film Evaporator è uno scambiatore di calore a fascio tubiero progettato essenzialmente per sostituire gli evaporatori allagati, secondo due importanti criteri:

  1. ridurre in maniera sensibile la carica di refrigerante;
  2. realizzare almeno la stessa efficienza di scambio termico.

Il primo punto è finalizzato alla riduzione delle emissioni dirette di refrigerante nell’ambiente, soprattutto, ma non solo, quando vengono utilizzati idrofluorocarburi (HFC), riconosciuti come potenti gas serra che contribuiscono largamente al preoccupante cambiamento climatico in corso, anche detto “riscaldamento globale”. La riduzione della carica va quindi nella direzione indicata dalle ben note trattative internazionali, ultima delle quali è stata la CoP26 di novembre 2021, nella quale si è ribadita la volontà, e necessità, di mantenere il riscaldamento globale sotto 1,5 K. Non ultimo, il risparmio di refrigerante comporta di pari passo un risparmio economico.

Il secondo punto riguarda le emissioni serra indirette ed include applicazioni con tutti i fludi, comprese le idrofluoro-olefine HFO (che invece non hanno effetto diretto). Si va quindi nella già citata direzione di riduzione di gas serra, e si risponde alla richiesta di mercato che richiede una sempre maggiore efficienza (per esempio direttiva Eco design ErP 2018).

Questi obiettivi principali, che già in partenza caratterizzano la natura “green” del prodotto, si accompagnano ad altri, secondari, in grado di far fronte a particolari difficoltà tecniche.

Innanzitutto, si è preferito una tipologia “falling film” anziché “spray” per contenere la perdita di carico concentrata del refrigerante all’ingresso, dell’ordine di una decina di chilopascal anziché di qualche bar. Questo per adattarsi a situazioni con basso rapporto di compressione, tipicamente chiller con compressori centrifughi oil-free condensati ad acqua. Pur nell’ambito della tipologia “falling film”, si sono voluti evitare due dei più tipici problemi ad essa attinenti: la difficile distribuzione e/o il dryout dei tubi che avviene in condizioni non nominali, e le grandi dimensioni, in genere necessarie per mitigare il trascinamento del liquido al compressore. Infine, un altro fattore di rischio che si è voluto ridurre al minimo riguarda il basso valore del surriscaldamento in mandata, tipico di taluni fluidi HFO o miscele HFC/HFO. Per ovviare a questo problema, comune a tutti gli evaporatori ad alta efficienza (allagati, spray, falling film), si è prevista la possibilità di un surriscaldamento addizionale del vapore prima di essere aspirato dal compressore.

Caratteristiche tecniche

L’evaporatore Hybrid Film deve il suo nome all’integrazione del processo di evaporazione per falling film con quello di ebollizione nucleata per ogni tubo, come rappresentato in figura 1, ed è stato sviluppato con l’ausilio di numerosi test di laboratorio, che ne hanno confermato l’alta efficienza.

Hybrid Film Evaporator
Fig.1 – Schema funzionale dell’evaporatore Hybrid Film

Il refrigerante, parzialmente liquido, entra dalla parte superiore passando per un primo dispositivo di distribuzione, per poi allagare la prima fila di tubi. Per mantenere una efficiente distribuzione (sia in senso longitudinale ai tubi che trasversale) durante tutte le fasi di funzionamento, il refrigerante viene re-distribuito su ogni fila di tubi, utilizzando un apposito sistema di cassetti forati. Già in questo modo si è riusciti a ridurre la carica di refrigerante di un valore pari al 40% su tutto l’impianto (valori misurati) e pari al 65 % nel singolo evaporatore (valori stimati).

Poi, come detto, si è cercato di contenere le dimensioni rispetto a più classici evaporatori a falling film, agendo in primo luogo sulla geometria del percorso del vapore aspirato. Si sono fatti a tal proposito numerosi studi sperimentali supportati da studi effettuati con software di fluidodinamica (CFD), ottenendo diametri del mantello comparabili a quelli con evaporatore allagato. Si sono sviluppati modelli molto compatti anche in lunghezza, su chiller a ridotto footprint particolarmente facilitati alla movimentazione. Sviluppati inizialmente per essere utilizzati con compressori centrifughi oil-free, sono stati poi ottimizzati anche per l’utilizzo con l’olio. In tal caso serve un sistema di recupero del lubrificante, comunque agevolato perché esso si trova in elevate concentrazioni nel liquido residuo in basso.

Nel corso degli ultimi due anni il contenimento del trascinamento di liquido con ingombri contenuti è stata rafforzato ulteriormente proseguendo con lo studio CFD del percorso di uscita, perfezionandolo ma soprattutto aggiungendo tubi nella parte alta, come riportato in figura 2.

Hybrid Film Evaporator
Fig.2 – Esempio di scambiatore rigenerativo integrato: con Hybrid Film Evaporator (a sinistra) e con evaporatore allagato Onda (a destra)

Questa soluzione è particolarmente consigliata, se non obbligatoria, con i fluidi R1234ze e R513A a causa delle loro caratteristiche termodinamiche intrinseche, ma anche con R134a qualora utilizzato con compressori a vite che, per il recupero dell’olio, aspirano talvolta refrigerante liquido.

Nei tubi aggiuntivi viene fatto scorrere un fluido più caldo: se è sufficiente un basso valore di surriscaldamento aggiuntivo in aspirazione si può utilizzare acqua alle condizioni di ingresso. Nella maggior parte dei casi, invece, si vogliono ottenere alti valori di surriscaldamento, e quindi nei tubi aggiuntivi viene fatto passare refrigerante liquido proveniente dal condensatore appositamente deviato, ottenendo un vero e proprio scambiatore rigenerativo integrato. In tal modo l’evaporatore può essere tranquillamente utilizzato nelle più svariate condizioni senza annullare il surriscaldamento in mandata al compressore (fenomeno estremamente pericoloso, in genere associato a un immediato fermo impianto). In totale sono stati configurati 42 modelli base che sono stati implementati nel software di selezione termica di Onda.

Prodotto migliorato grazie a un rigoroso approccio scientifico
Giuseppe Censi, Academy Manager/ Heat Transfer Specialist

«La ricerca e sviluppo dell’azienda Onda è da sempre orientata al miglioramento del prodotto mediante un rigoroso approccio scientifico, grazie alle competenze specifiche del personale coinvolto. Ciò significa che ogni nuovo spunto è affrontato con un estensivo studio preliminare della letteratura esistente, con l’analisi mediante i più efficaci strumenti informatici, quali ad esempio fluidodinamica computazionale (CFD) e reti neurali artificiali (ANN), e soprattutto con le prove sperimentali condotte nel laboratorio di scambio termico interno, attrezzato con i migliori strumenti di misura e metodi di elaborazione dati. I dettagli dei risultati ottenuti molto spesso vengono poi presentati e validati con pubblicazioni ufficiali a livello internazionale. Un esempio di tale percorso è stato lo sviluppo dell’Hybrid Film Evaporator, il cui concetto è stato in origine motivato dall’esigenza di maggiore efficienza energetica e riduzione dell’utilizzo di gas serra. Il feedback iniziale ricevuto e l’analisi metodica delle criticità hanno poi portato ad un significativo upgrade. Questo progetto conferma Onda come azienda orientata all’innovazione, al risparmio energetico e al rispetto dell’ambiente».

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