Progettazione termo-fluido-dinamica di Valvola a sfera di Inversione a 4-Vie

SCOPO: Sviluppo di valvole a sfera a 4-Vie di inversione di ciclo per pompe di calore in regime Trans-Critico di R744.
TECNOLOGIA: CAD/CFD/FEM

lI Cliente è una multinazionale Giapponese operante nel settore delle pompe di calore e dei boiler elettrici ad alta efficienza energetica, per grosse installazioni industriali e commerciali. Al posto dei consueti gas fluorurati o dell’ ammoniaca, viene utilizzato il gas refrigerante R744 operante in regime trans-critico in modo da garantire che gli impianti mantengano un’alta efficienza energetica e basse emissioni di gas serra.

Il costante impegno del cliente nella ricerca dello stato dell’arte della componentistica per essere all’avanguardia della tecnologia, ha portato alla richiesta di una re-ingegnerizzazione delle valvole di controllo, per lavorare a 120bar e a pieno differenziale di pressione della pompa di calore (70bar). Il cliente richiede altresì la verifica del coefficiente di efflusso Kv, delle capacità frigorifere e delle temperature di esercizio dei nuovi prodotti usando le simulazioni numeriche.

PREMESSE: Il quadro legislativo europeo

Nel 2007 i leader dell’UE hanno concordato un approccio integrato alla politica climatica ed energetica, che mira a combattere i cambiamenti del clima e aumentare la sicurezza energetica, rafforzando al contempo la
competitività. Nel 2008 la Commissione europea ha proposto una legislazione per attuare gli obiettivi vincolanti attraverso il progetto 20-20-20.
Questo “Pacchetto Clima ed Energia” è diventato legge nel 2009.
Gli obiettivi del 20-20 entro il 2020 includono:

• una riduzione delle emissioni di gas serra dell’UE di almeno il 20% rispetto ai livelli del 1990;
• che il 20% del consumo energetico dell’UE provenga da fonti rinnovabili;
• una riduzione del 20% nel consumo di energia primaria rispetto ai livelli previsti, migliorando l’efficienza energetica.

PREMESSE: La tecnologia delle pompe di calore

L’energia rinnovabile è quella ottenuta da risorse naturali come il sole, il vento, l’acqua e grazie a tecnologie che assicurino che le riserve di energia non si impoveriscano con l’uso. Mediante l’introduzione di una piccola quantità di energia di azionamento, una pompa di calore può spostare calore da una fonte a bassa temperatura ad una a temperatura elevata.
Ciò significa che lo stesso apparecchio può essere utilizzato per sottrarre calore da una zona raffrescamento) e immetterlo in altra (riscaldamento).
Le pompe di calore più diffuse sono il frigorifero domestico o il comune condizionatore d’aria ma, sempre più, le pompe di calore vengono utilizzate per il riscaldamento, visti i grossi vantaggi in termini economici
rispetto agli impianti tradizionali.

PREMESSE: L’efficienza di una pompa di calore

Maggiore è l’efficienza di una pompa di calore, più convenienza avrò nell’uso e meno dispendioso sarà ottenere energia.
Il COP, coefficiente di prestazione, descrive l’efficienza della pompa di calore ed è definito come il rapporto tra il trasferimento di calore utile per il riscaldamento o il raffreddamento e l’energia motrice necessaria. Vi sono innumerevoli fattori che influenzano l’efficienza di una pompa di calore:
importanti miglioramenti in termini di efficienza dei sistemi a pompa di calore sono stati raggiunti attraverso recenti sviluppi nel campo degli scambiatori di calore e dei compressori, ma anche la componentistica gioca un ruolo primario.

PREMESSE: Componenti attualmente disponibili sul mercato

Le valvole attualmente disponibili sono del tipo a slitta a 4-Vie con valvola
pilota alimentata da bobina, il cui funzionamento è legato ai componenti:
- valvola pilota
- corpo valvola, inclusa slitta di inversione
- bobina magnetica
Il cursore della valvola 4-Vie viene spinto tramite la differenza di pressione che agisce nella camera interna della valvola, agevolata dall’azionamento dalla elettro-valvola pilota. Vediamo come il principio di funzionamento, in riscaldamento e raffrescamento, sia piuttosto elaborato:

Condizioni Invernali

Quando la bobina è eccitata (Fig 1), la valvola pilota si sposta sulla destra e il flusso ad alta pressione entra nella camera col pistone. Dall’altra parte il fluido fuoriesce dalla camera, favorendo lo spostamento del pistone con la slitta nella stessa direzione.

Condizioni Estive

Quando la bobina non viene più alimentata (Fig.2), la valvola pilota si sposta sulla sinistra, e il flusso ad alta pressione viene convogliato dal capillare di scarico dentro la camera con la slitta. Dall’altra parte il flusso
viene rilasciato dalla camera, favorendo lo spostamento del pistone con la slitta nella stessa direzione.

Limitazioni nell’uso

A causa della tecnologia piuttosto raffinata del movimento del cursore, generato dal differenziale di pressione – regolato dalla elettro-valvola a solenoide – un prodotto del genere presenta molti limiti di impiego, come ben evidenziato nel manuale di istruzioni:

1. installation is possible for 4-Way reversing valve only in horizontal position, the orientation should be in the range from 0° to 180°; in vertical position, the valves can be installed in any orientation as long as the coil stem position is up.
2. Before installing, thoroughly clean the inner part of pipes to prevent dust or dirt particles from entering the valve. Use 80 to 100 mesh strainer at the valve inlet, if dust or dirt particles inside the pipes may flow into the valve.
3. Do not heat up the body to a temperature higher than 120°C when soldering the joints. Soldering must be carried out with the coil removed.
4. Do not suspend the valve by the lead wire of the solenoid coil or handle it violently
5. Do not wrap up the solenoid coil with thermal insulation. This could cause the coil to overheat and burn out.
So for the coil:
1. Make sure the supply voltage conforms with the voltage marked on the coil enclosure (or label).
2. When mounting the solenoid coil, the enclosure fixing bolt must be tightened firmly.
3. When wiring the solenoid coil, leave enough slack to ensure that no stresses are applied to the supply wires and coil connection.
4. When removing the solenoid coil from the body, be sure to cut out the supply power. When you keep the coil energizing itself for an unnecessary time, the coil might burn out.

PROGETTO: Valvola a 4-Vie di inversione per pompe di calore a R744 in ciclo Trans-Critico

La valvola di inversione Refrigera a sfera a 4-Vie è il componente fondamentale in grado di garantire il riscaldamento e il raffreddamento degli ambienti con pompa di calore, mediante l’inversione del ciclo
termodinamico. Le valvole sono idonee per tutti i refrigeranti elencati nel Gruppo 1 o 2 della direttiva P.E.D. e funzionano alla massima pressione del sistema. L’azionamento non necessita di un’elettrovalvola pilota e non vi sono parti mobili, quindi si riduce il rischio di grippaggio dovuto alle avverse condizioni ambientali, alla presenza di sporco o di particelle nell’impianto. Inoltre, diversamente dalle valvole pilotate, dove la bobina
elettrica regola la differenza di pressione che induce il movimento della slitta, il concetto di valvola a sfera garantisce ridottissime perdite di carico e trafilamenti, previene il rischio di non completa commutazione e assicura lo scambio rapido – persino in assenza di differenziale di pressione: la sfera lavora sospesa da 4 seggi di Teflon e ruota sempre perfettamente per semplice azionamento meccanico, anche alla massima temperatura o in caso di totale assenza di pressione nel sistema.

Tutti i componenti sono stati accuratamente progettati per garantirne la sicurezza e la resistenza anche nelle condizioni di lavoro più impegnative.
Corpo e connessioni in acciaio inox assicurano prestazioni elevate per tutti gli usi in alta pressione. Come opzione, Refrigera è in grado di fornire la valvola con tubi in CuFe2P, dotati di attacchi a saldare. La flangia ha perno burst-proof per applicazioni HVAC-R severe, ed è a norma ISO5211 per potervi adattare praticamente tutti gli attuatori elettrici presenti sul mercato.

PROGETTO: Simulazioni CFD

La sfida di garantire adeguate sezioni di passaggio in entrambe le configurazioni di apertura è stata vinta da Refrigera in stretta collaborazione con la Scuola Internazionale di Dottorato in Meccanica dei Fluidi Ambientale e Industriale dell’Università di Trieste e del Laboratorio IEFLUIDS, che ha verificato, tramite simulazioni, il Kv e la capacità refrigerante per l’intera gamma delle nuove valvole 4-Vie, con un adeguato supporto teorico.
IEFLUIDS ha eseguito l’analisi idraulica per mezzo di software OpenFOAM CFD. La simulazione è stata eseguita utilizzando un modello RANS kepsilon, per mezzo di funzioni di parete sviluppate ad-hoc per la corretta risoluzione dello strato limite vicino alle pareti solide del dominio. I risultati sono stati utilizzati per verificare la progettazione delle valvole: come risultato il Kv delle valvole, per ogni diametro, risulta massimizzato.

PROGETTO: Risultati

Al Cliente sono stati comunicati i risultati delle analisi, Kv e Capacità (kW) relative ai principali refrigeranti sintetici e alla R744 – secondo Standard ANSI/AHRI 760-2007. L’analisi è stata estesa alle cadute di pressione durante l’attraversamento e alla distribuzione interna della temperatura. I risultati dell’analisi fluidodinamica sono stati inseriti anche nella modellazione FEM, per validare l’analisi strutturale: i criteri di resistenza dimostrano che tutte le sezioni risultano correttamente dimensionate.

PROGETTO: Riepilogo

Refrigera, attraverso la realizzazione delle nuove valvole di inversione a sfera a 4-vie, vuole offrire un’alternativa al mercato attuale e un prodotto innovativo, sviluppato in un’ampia gamma di dimensioni e tipologia di raccordi, di configurazioni speciali e rese frigorifere, completamente compatibile con i refrigeranti naturali – per impianti a basso impatto ambientale (fino al diametro nominale 32, le valvole sono state progettate per lavorare specificamente in anidride carbonica PS=120bar in ciclo trans-critico con massimo differenziale di pressione tra le 2 vie di 90bar).
Una linea specifica di prodotto sarà compatibile con i nuovi HFC insaturi, o hydroflouro-olefine (HFO), che sono stati sviluppati per costituire una valida alternativa nella sostituzione a lungo termine dei refrigeranti sintetici CFC e HFC – da utilizzarsi come sostanze singole o in miscela con gli HFC.
Le valvole Refrigera di inversione di ciclo a sfera a 4-Vie, sono un prodotto approvato CE, in base alla 97-23-CE – Pressure Equipment Directive.

PROGETTO: Vantaggi

In confronto ad una valvola di inversione di ciclo a 4-Vie di tipo tradizionale, a slitta con valvola pilota – alimentata da bobina, le nuove valvole Refrigera di inversione a sfera a 4-Vie offrono:

-migliori caratteristiche di resistenza;
-facilità di installazione;
-intuitività di posizionamento nell’impianto, tramite ispezione visiva;
-ottima affidabilità nell’uso;
-maggiori sezioni di passaggio e quindi fattori Kv di efflusso;
-posizione inclinata ammessa;
-facilità di pulizia, persino in caso di burnout del compressore;
-capacità di lavorare in condizioni ambientali estreme;
-nessun rischio di alterarne la funzionalità in caso di non perfetta stima
delle Capacità refrigeranti dell’impianto in fase di design;
-funzionamento garantito anche in assenza di pressione nell’impianto;
-nessun rischio di cicli incompleti di apertura o chiusura;
-basso rischio di grippaggio in presenza di sporcizia nel refrigerante;
-possibilità d’utilizzo come valvola miscelatrice.

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