Esperti in refrigerazione e climatizzazione

Sistema a cascata

Che cos’è un sistema a cascata?

Un sistema a cascata è un tipo di impianto di refrigerazione composto da due sistemi indipendenti, uno dei quali – a temperatura più bassa – utilizza uno scambiatore di calore come condensatore, che ha il compito di espellere il calore che vi si accumula. Di seguito, si illustra in modo più dettagliato il funzionamento di tali sistemi e l’utilizzo dei refrigeranti per le applicazioni a bassissima o bassa temperatura.

Sistema di raffreddamento a cascata

I sistemi di raffreddamento a cascata consentono di ottenere temperature bassissime, fino a -70 °C con due circuiti di raffreddamento dedicati. Il primo, denominato circuito primario, è il circuito ad alta temperatura, mentre il secondo è denominato circuito secondario o a bassa temperatura. Come già detto, i circuiti sono indipendenti l’uno dall’altro.

In questo sistema a due circuiti, il circuito primario è responsabile del raffreddamento di quello secondario, esattamente come nel caso dei refrigeranti. Sono quindi particolarmente utili in un circuito in cui è richiesta un’elevata affidabilità in termini di temperatura.

Si può dire che esistono due varianti del ciclo frigorifero a semplice compressione di vapore. La prima è chiamata ciclo a cascata, nel quale è possibile utilizzare il ciclo a compressione di vapore se la differenza di temperatura tra il condensatore e l’evaporatore è troppo elevata. In tal caso, si utilizza un sistema di refrigerazione che assorbe il calore del condensatore durante il processo di evaporazione e il calore della compressione del vapore refrigerante che passa attraverso il compressore.

Il primo ciclo abbassa quindi la temperatura di condensazione, creando una successiva caduta di pressione. Si tratta di un metodo più efficiente rispetto all’estrazione di calore tramite processi di convezione. Il motivo è che, in un ambiente che assorbe calore, un dispositivo di condensazione ha una temperatura inferiore a quella dell’aria che lo attraversa.

Il calore del condensatore viene quindi assorbito dall’evaporatore del secondo sistema di refrigerazione. I refrigeranti variano generalmente in base al tipo di circuito e lo scopo di questa variazione è proprio quello di regolare i parametri di temperatura e pressione.

Ecco come funziona un sistema di raffreddamento a cascata

In un sistema di raffreddamento a cascata si distinguono due stadi principali. Nel primo stadio (ad alta pressione), il circuito assume la funzione di raffreddamento. In questo modo, il refrigerante passa attraverso il compressore ad alta pressione e temperatura ed entra nel condensatore. Questo condensatore ha il compito di rilasciare l’energia assorbita dal refrigerante dall’ambiente per poi rilasciarla sotto forma di liquido.

La fase successiva deve comprendere il sottoraffreddamento del refrigerante. Lo scopo di questa operazione è quello di aumentare la capacità, garantendo che il liquido circoli in una sola direzione. Quando il refrigerante entra in contatto con l’evaporatore a piastre, il refrigerante nel circuito a bassa temperatura viene raffreddato. Il ciclo evaporatore-condensatore è così completato e il refrigerante ad alta temperatura assorbe calore dal refrigerante a bassa pressione.

Successivamente, si può distinguere un secondo stadio. Spesso chiamato anche stadio a bassa pressione, avviene quando il refrigerante viene espulso dal compressore ad alta pressione e temperatura. In tal caso, il condensatore funge da scambiatore di calore a piastre e il sistema inizia a lavorare ad alte pressioni; il refrigerante viene quindi raffreddato o convertito da vapore a liquido dall’evaporatore dello stadio di alta pressione. Quando il refrigerante viene sottoraffreddato, entra nell’evaporatore, dove viene portato a temperature bassissime.

Vantaggi di un sistema a cascata

Un sistema a cascata offre vantaggi specifici rispetto ad altri metodi di raffreddamento. Quando si utilizza un sistema in cascata, il rapporto di compressione di ciascun sistema diminuisce. L’efficienza volumetrica aumenta quindi in ogni stadio e, per lo stesso effetto, l’intero sistema diventa molto più efficiente. Al contempo, si noti che un sistema di raffreddamento a cascata richiede anche una minore cilindrata del compressore.

Inoltre, la temperatura di mandata nel sistema a cascata è inferiore a quella di un sistema monostadio e ciò ha effetti positivi sulla lubrificazione e sulla temperatura dell’olio. Infine, va notato che in un sistema di refrigerazione a cascata possono essere utilizzati anche refrigeranti ad alta pressione. Questo tipo di refrigerante fa sì che la pressione di aspirazione raggiunga valori positivi. Ciò significa che questo tipo di sistema non ha bisogno di lavorare sotto vuoto, neppure nei casi in cui la temperatura di aspirazione satura è piuttosto bassa.

Precauzioni operative in un sistema a cascata

Quando si utilizza un sistema a cascata, è necessario prendere alcune precauzioni. La prima è tenere presente che si tratta di un sistema che ha determinati limiti di applicazione e che è quindi importante monitorare lo stato di lubrificazione del sistema. Inoltre, occorre verificare che non venga aspirato alcun liquido nel sistema.

Nel caso di sistemi a bassa temperatura, è necessario assicurarsi che la temperatura del gas di ritorno non scenda al di sotto di -60°C. Questo è importante per non danneggiare il compressore in ghisa. È infine consigliabile monitorare la temperatura dell’olio in modo tale che abbia il giusto livello di viscosità; questo consentirà il corretto svolgimento della rispettiva funzione evitando che rifluisca. Per quanto riguarda l’olio, deve essere presente anche un separatore di olio ad alta efficienza e ben dimensionato. Va notato che se non ritorna, è molto probabile che siano necessari cicli di sbrinamento per aumentare la pressione di aspirazione e la portata massica. Questo è il modo per diminuire la viscosità dell’olio, aumentandone la temperatura e facendolo tornare al compressore.

Per quanto riguarda il gas che si muove in direzione del compressore, la sua temperatura di ritorno deve essere elevata. In alcuni casi, per il raffreddamento dell’olio si possono utilizzare altri gas per compressori, tra cui il butano. Tuttavia, questa operazione deve sempre essere eseguita applicando solo pochi grammi di gas refrigerante.

Come ultimo punto relativo alle precauzioni da prendere nei sistemi di raffreddamento a cascata, è doveroso menzionare le tubazioni e il loro isolamento. Poiché operano a temperature molto basse, è essenziale che l’isolamento di questi componenti e di tutte le parti esposte garantisca una temperatura inferiore al punto di rugiada. Questo è particolarmente importante nelle zone in cui la temperatura è inferiore a 0°C. In questo modo, si evita la condensazione e il congelamento dell’umidità presente nell’aria.

Areacademy, vincitore del premio Iniziativa Industriale dell’Anno da ACR News Awards