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R407C Caratteristiche e Modalità d'Uso

- R407C : APPLICAZIONI E MODALITA' D'USO -

Prefazione
    ll "phase-out" del refrigerante R22 nei nuovi impianti imposto dalla EU, ha reso il gas R407C il fluido di lavoro preferito nella maggior parte delle applicazioni di condizionamento, essendo molto simile all’R22 nelle proprietà fisiche. L’R407C è una miscela zeotropica di HFC e ciò determina alcune restrizioni d’uso e particolari attenzioni nella manipolazione del prodotto e nel progetto degli impianti.
Questa presentazione discute le applicazioni e le raccomandazioni per l’utilizzo dell'R407C.

Situazione Legislativa
    Il Regolamento Europeo 2037/2000 ha vietato l’uso delle sostanze che danneggiano l’ozono stratosferico (quindi anche gli HCFC), in tutti gli impianti nuovi di refrigerazione e condizionamento, comprendendo anche, dalla fine di quest’anno (31/12/2003), le applicazioni a pompa di calore.
I refrigeranti HFC, che non danneggiano lo strato d’ozono, sono stati sviluppati proprio per sostituire i fluidi banditi; in particolare l’R407C è proposto per sostituire l’R22 nelle applicazioni di condizionamento dell’aria e pompa di calore ed è attualmente il fluido più usato nei nuovi sistemi per queste applicazioni.
Tutti i maggiori OEM della Comunità Europea ora forniscono apparecchiature e impianti di condizionamento funzionanti con R407C.

Introduzione
    Il fluido R407C ha proprietà fisiche molto simili a quelle dell'R22 (che sostituisce nelle applicazioni di condizionamento), in termini di pressioni operative e di prestazioni in sistemi di condizionamento dell’aria ad espansione diretta.
Le proprietà dell’R407C sono simili ma non identiche a quelle dell’R22: ad esempio le pressioni di condensazione sono leggermente più elevate, circa 1 bar in più a 45°C, rispetto all’R22.
L'R407C è una miscela zeotropica, costituita da 3 componenti HFC:

Componente %
R32 23%
R125 25%
R134A 52%

in peso (con una tolleranza di ± 2% ammessa per ciascun componente).
La manutenzione degli impianti caricati con tale miscela non rappresenta un problema, se si seguono le seguenti linee-guida.

- LINEE GUIDA PER LA MANUTENZIONE DEI SISTEMI A R407C -

Considerazioni generali per refrigeranti HFC
    I sistemi che utilizzano HFC come fluido di lavoro hanno normalmente compressori caricati con un lubrificante miscibile con tale fluido, come i POE (Polioliolesteri). Ci sono molti produttori di questi lubrificanti, disponibili anche a diversi gradi di viscosità.
L'R407C non è generalmente usato con olio minerale o alchilbenzenico, poiché la miscibilità non adeguata, non assicura un sufficiente ritorno dell’olio al compressore. E’ molto importante che, quando occorre aggiungere olio in manutenzione, sia usato il tipo di lubrificante corretto. Controllare quindi il libretto di istruzione del compressore per individuare il lubrificante consigliato per la manutenzione.
I lubrificanti POE usati con gli HFC hanno un’elevata igroscopicità e se vengono esposti all’aria, assorbono facilmente l’umidità. Perciò è molto importante ridurre al minimo gli ingressi di acqua nel circuito, seguendo queste semplici procedure:

  • non lasciare mai il circuito o i singoli componenti aperti (tubi, raccordi, ecc.) e mantenere sempre ben chiuso il contenitore dell’olio POE, fino all'utilizzo e dopo l’uso richiudere bene il tappo;

  • durante le saldobrasature, eliminare l’aria dal sistema facendo fluire azoto, per minimizzare la formazione di incrostazioni;

  • dopo la brasatura, soffiare nuovamente con azoto per rimuovere eventuali depositi ed essiccare il sistema.

Poiché il POE trattiene l’umidità in soluzione, non è possibile rimuoverla completamente facendo il vuoto. Il solo modo di ridurre l’umidità in eccesso (almeno fino a 50 p.p.m.) dal lubrificante del compressore è quello di usare un filtro essiccante.
La contaminazione del sistema con olio minerale, o con R22, può avere effetti nocivi sull’efficienza del sistema e sulla sua affidabilità. Sistemi che usano scambiatori di calore a fascio tubiero, con tubi piuttosto grandi, sono particolarmente soggetti ad una riduzione dello scambio termico per la presenza di olio minerale con R407C.
Si raccomanda anche di utilizzare una strumentazione dedicata all'R407C per evitare possibili contaminazioni.

Considerazioni generali sulle Miscele Refrigeranti Zeotropiche
    L'R407C è una miscela refrigerante zeotropica. Ciò significa che, quando il liquido ed il vapore sono in equilibrio, in qualunque condizione di saturazione liquido-vapore, la composizione del vapore differisce dalla composizione del liquido.
Nel caso dell'R407C, la composizione del vapore saturo è così diversa da quella del liquido, che, se usato, si comporta quasi come un diverso refrigerante.
Ad esempio, la composizione del vapore dell'R407C in equilibrio con il liquido è circa:

Componente %
R32 33%
R125 32%
R134A 35%

In un contenitore la massa del refrigerante liquido è generalmente molto più grande di quella della fase vapore, così durante il travaso, la percentuale dei componenti del liquido rimane molto vicina alla composizione corretta.
Per questa ragione è molto importante che il refrigerante R407C venga trasferito in fase liquida, quando si carica un impianto prelevando da una bombola. Questa operazione è facilitata se la bombola ha un tubo pescante ed un rubinetto per la fase liquida; se così non fosse, come è generalmente il caso delle bombole piccole, è sufficiente prelevare il prodotto con la bombola capovolta (valvola in basso). Solo la fase liquida dovrebbe essere caricata.
Il travaso deve essere discontinuo, prima che tutto il liquido sia stato trasferito. In una situazione ideale, quando l’ultima goccia di liquido è stata estratta dalla bombola, resta circa il 5% in peso del contenuto iniziale, ancora presente nella fase vapore.
In pratica si suggerisce di fermare il trasferimento quando resta poco più del 5% del contenuto residuo (in peso), per essere sicuri di non trasferire la fase vapore. La bombola dovrà restare con una pressione positiva e non dovrebbe essere posta sotto vuoto, ma dovrà essere resa al fornitore con la sua pressione residua. Durante il travaso ad un sistema è del tutto accettabile che il liquido, lasciando il contenitore, vaporizzi rapidamente (flash) entrando nel circuito (ad es. all’aspirazione del compressore).

- TEMPERATURE GLIDE -

Cos’è il "Temperature Glide"
    Poiché le miscele zeotropiche, come l'R407C, hanno un differente equilibrio di composizione per liquido e vapore, ci sono differenti valori di saturazione P-T per liquido saturo e per vapore saturo.
Pressione di Saturazione dell'R407C (gif) Per esempio, ad una data pressione, la temperatura del liquido saturo è diversa dalla temperatura del vapore saturo alla stessa composizione (similmente ad una data temperatura ci sono due pressioni di saturazione).
Si osservi la curva P-T dell'R407C qui riportata. Il valore del "glide" di temperatura per un refrigerante è, per convenzione, la differenza di temperatura tra la temperatura del vapore saturo alla pressione di evaporazione e la temperatura all’ingresso dell’evaporatore.
Il "Glide" di Temperatura è la conseguenza della differenza di composizione tra il liquido ed il vapore saturo, ma il suo valore può variare.
Refrigeranti con una significativa differenza di composizione possono avere un temperature "glide" molto piccolo (l'R410A è un esempio di tali fluidi), mentre il temperature "glide" dell'R407C è di circa 6°K.


Quali sono le conseguenze del "glide" di temperatura ?
    Ci sono alcuni progetti che sfruttano le implicazioni e le opportunità che sorgono dell’uso di refrigeranti con un "glide" di temperatura. Si è dimostrato che il trasferimento di calore in una massa di liquido è influenzata dal "glide" di temperatura della miscela. Quando il "glide" di temperatura cresce il coefficiente di trasferimento calore (HTC= Heat Transfer Coefficient) diminuisce. Nel caso dell'R407C il coeff. HTC si riduce di circa il 50%. Per questa ragione non è generalmente raccomandato usare l'R407C nei "chillers" con evaporatori allagati.
Allo stesso modo, poiché un "glide" significativo provoca una variazione di composizione, l'R407C non può essere utilizzato con buoni risultati nei "chillers" centrifughi.
Il "glide" di temperatura può essere sfruttato per ottenere miglioramenti di prestazione, quando l'R407C è utilizzato in impianti con scambiatori in controcorrente.
Sui refrigeratori d’acqua commerciali si sono rilevati dei significativi miglioramenti di efficienza energetica, riducendo la differenza media di temperatura attraverso l’evaporatore, in una configurazione in controcorrente.
Nei sistemi commercialmente disponibili che utilizzano l'R407C, tali valutazioni saranno state considerate nella progettazione del sistema.
Un’importante considerazione pratica da tenere a mente, quando si usa un refrigerante ad elevato "glide", è che c’è una differente relazione tra le grandezze P – T, per le condizioni di liquido saturo e vapore saturo. Ci sono quindi due tabelle P – T.
Per questi refrigeranti è anche importante ricordare che i cambiamenti di fase, evaporazione e condensazione, non avvengono a temperatura costante, nonostante la pressione, in queste trasformazioni, sia costante. Diagramma Pressione Entalpia R407C (gif)
Ciò è mostrato sul seguente diagramma Pressione – Entalpia (vedi figura).
Nel condensatore, la condensazione comincia alla temperatura del vapore saturo, che è maggiore della temperatura del liquido saturo; quindi la temperatura scende progressivamente lungo il condensatore fino a quando si raggiunge la temperatura del liquido saturo. Questa progressiva variazione di temperatura prende il nome di "glide" (=scorrimento). La temperatura effettiva di condensazione è quindi la media delle temperature del liquido e del vapore saturo.
Nell’evaporatore accade il contrario: all’ingresso dell’evaporatore non c’è liquido saturo, tuttavia, a causa della rapida espansione (flash) del refrigerante generata dalla valvola di espansione, ci si trova a temperatura inferiore a quella del vapore saturo. Quindi la temperatura del liquido evaporante risale lungo l’evaporatore.
L’effettiva temperatura di evaporazione è quindi la media tra la temperature di ingresso dell’evaporatore (flash liquido) e la temperatura del vapore saturo.
La temperatura di ingresso all’evaporatore ha effetto sul sotto-raffreddamento. Un calcolo accurato della temperatura di ingresso all’evaporatore, se necessario, richiede l’uso di un software specifico. Quando si misurano i parametri di resa del sistema, è importante utilizzare la corretta tabella di saturazione per l'R407C.
Il surriscaldamento del gas all’evaporatore (aspirazione del compressore) si ricava dal vapore saturo (Dew Point) dalla tab. P – T.
Il sottoraffreddamento del liquido condensato è ricavabile dalla tabella del liquido saturo (Bubble Point).

- MANUTENZIONE DEI SISTEMI CON R407C -

- Cosa dovrebbe fare un manutentore quando un impianto ha perso parte della carica (fuga)?
    In caso di fughe di refrigerante, la prima cosa da fare è localizzare la perdita ed eliminarla. Una volta eliminata la fuga, per sistemi normali (non a carica critica), è corretto rabboccare l’impianto per tornare al livello iniziale (standard) di carica; se si tratta di R407C, la carica dovrà essere effettuata trasferendo il refrigerante in fase liquida. Le prestazioni dell’impianto ritorneranno normali.
In caso di sistemi a carica "critica", ad esempio negli "split", come nel caso dei sistemi ad R22, la carica residua dovrà essere rimossa dal sistema e recuperata, e si dovrà caricare la quantità esatta di refrigerante precisata da costruttore. In questo caso la procedura per l'R407C è simile a quella per l'R22.

- Può cambiare la composizione del R-407C in un sistema ?
    L'R407C è una miscela "Zeotropica". Le sue composizioni di equilibrio vapore e liquido sono quindi differenti.

- Quali le conseguenze in caso di perdite di refrigerante?
Se la perdita è solo in fase vapore in un punto nel quale coesistono le fasi liquida e vapore in un equilibrio termodinamico, come conseguenza della fuga, si ha un cambio di composizione della miscela.
In un sistema reale questo non è però un caso comune. In pratica un fuga in solo fase vapore è più facile che si verifichi al ricevitore di liquido.
Le fughe che avvengono nell’evaporatore o nel condensatore, dove le fasi liquido e vapore sono in equilibrio termodinamico durante l’operazione, in pratica non danno luogo ad un cambio di composizione, poiché la fuga è di entrambe le fasi liquido e vapore, che non sono separate nella regione della fuga. Ciò è stato confermato da varie prove pratiche.
Una fuga in fase vapore può generare un cambio di composizione se si verifica nella carica residua durante una fermata dell’impianto (ad es. durante la fermata invernale di un impianto di condizionamento).
Complesse simulazioni al computer, confermate da test su impianti, hanno dimostrato che rabboccando la carica persa con R407C (aggiungendo cioè R407C ad un sistema, per ripristinare la carica corretta), si tenderà sempre a riportare la composizione ad un valore molto prossimo a quello originario.
Il refrigerante, dopo il rabbocco, presenterà parametri di rendimento molto simili a quelli della composizione standard.
Quindi le prestazioni di un impianto che, dopo aver ha subito una perdita di gas, è stato ricaricato con R407C, non saranno significativamente differenti da quelle di un impianto caricato con una miscela standard.
Dopo una serie di cicli di perdite e ricariche in un sistema sperimentale, nel quale sono misurati i parametri di funzionamento, la capacità frigorifera diminuisce al massimo del 5%, con un effetto anche inferiore sull’efficienza energetica.
Questi test e le successive esperienze "sul campo" hanno mostrato che i sistemi ad R407C possono essere rabboccati dopo una fuga, tornando a funzionare normalmente.
Non c’è quindi necessità, eccetto i casi di sistemi a "carica critica" (come detto gli split), di sostituire l’intera carica dopo un fuga.

Separazione della miscela all’interno del sistema
Una delle principali ragioni per le quali l'R407C non è usato nei "chillers" con "evaporatori allagati" è che il liquido che si trova nell’evaporatore ha una composizione del refrigerante circolante variabile e differente dallo standard. Per questo motivo, una perdita di gas, rende difficile il controllo della composizione.
Ci sono stati pochi casi isolati di funzionamento anomalo riportati in impianti aria-aria, che dimostrano che può avvenire la separazione, con modifica della composizione della miscela. I sintomi si manifestano con alte pressioni di condensazione e talvolta con alte temperature allo scarico del compressore. Tale separazione si verifica solo se c’è la possibilità per un significativo volume di liquido di ristagnare sul fondo, rimanendo statico al contatto fisico con la massa di refrigerante circolante. Si deve comunque sottolineare che ciò avviene solo in casi limitati ed eccezionali. Una soluzione a questo problema può essere quella di modificare il circuito, o eliminare un’ostruzione, per assicurare che l’intera massa di refrigerante circoli attraverso il sistema.

Conclusioni
Con alcune restrizioni nelle applicazioni d’uso (come gli impianti con compressori centrifughi ed i "chillers" con evaporatori allagati), l'R407C è attualmente usato con successo nella maggior parte delle apparecchiature ed impianti per aria condizionata e pompe di calore. La manutenzione dei sistemi ad R407C può essere eseguita come si faceva con l'R22, tenendo presente una maggior cura per evitare l’ingresso di umidità nel circuito e l’uso di due tabelle di saturazione P – T.

Referenze: Bivens D.B., Patron D.M., Yokozeki A., ASHRAE Trans. 1997, Vol 103

Fonte: Centro Studi Galileo

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