Tecnica del Freddo - Riassunto dettagliato dell'intero corso

1° partecipi a compressione standard: refrigeranti

Definizione e requisiti dei refrigeranti

Il refrigerante è il fluido che scorre nell’impianto ed è quello che permette il funzionamento del ciclo frigorifero. I requisiti che una sostanza deve avere per essere usata come refrigerante sono:

• Stabilità chimica: cioè la capacità di conservare la propria composizione chimica.
• Requisiti di tipo ambientale:
  • Di tipo “globale”: ODP, potenziale di degrado strato di ozono; GWP, contributo all’effetto serra; TEW, impatto equivalente di riscaldamento.
  • Di tipo “locale”: Tossicità (acuta o cronica); Infiammabilità.
• Requisiti generali: Individuazione delle fughe; Maneggiabilità; Costo.
• Requisiti funzionali: Sono i più importanti e stabiliscono l’attitudine del fluido a fornire buone prestazioni energetiche con impianti semplici, economici ed affidabili.

Proprietà termodinamiche

→ COP del ciclo: rappresenta le perdite intrinseche del ciclo frigorifero, a cui si aggiungono le perdite dovute al comportamento non ideale dei componenti.

→ Coefficiente delle prestazioni = Efficienza termodinamica = Lavoro Reale = lavoro ideale + perdita exergetica laminazione + perdita exergetica desurriscaldamento. La perdita per laminazione è quella sotto la curva 3-4, mentre la perdita per il surriscaldamento è quella sotto la curva 2-3-1. Di conseguenza, devo fare in modo che le due aree siano le più piccole possibili. L’area sottesa alla curva rappresenta il calore scambiato mentre il lavoro di compressione è:

̇ 2̇ ̇− = ̇ ∙ ∆ + +(ℎ )2

→ Temperatura critica: deve essere la più alta possibile e lontana dalle temperature operative (per evitare elevate perdite e quindi diminuzione del COP), inoltre deve anche essere compatibile con la pressione di evaporazione. Quest’ultima non può essere troppo bassa altrimenti si hanno portate volumetriche elevate nel compressore e perdite elevate con conseguente diminuzione COP. Quindi un buon refrigerante ha elevata Tcritica compatibilmente con la pressione di evaporazione. A parità di Tcritica, l’efficienza dipende dalla forma della curva limite. Se abbiamo campana centrata le aree sono proporzionali tra loro, se invece si sposta verso destra l’area della laminazione diventa molto più rilevante rispetto a quella della desurriscaldazione. La forma delle curve limite dipende dal calore specifico del liquido e più precisamente dal rapporto calore specifico / calore di vaporizzazione. Se il calore specifico del liquido è molto elevato, ho una maggiore perdita per laminazione e una minore perdita per desurriscaldamento. Per quasi tutti i fluidi frigorigeni, meno che per l'ammoniaca, le perdite di laminazione sono di gran lunga prevalenti sulle perdite di desurriscaldamento. Di conseguenza, un valore elevato di calore specifico del liquido costituisce uno svantaggio perché mi aumenta le perdite di laminazione.

→ Pressione operativa

→ Temperatura di fine compressione: (punto 2 del grafico T-S sopra) Se la compressione va in vapore surriscaldato c'è il rischio che la temperatura di fine compressione sia molto elevata. Dipende dalla forma della curva limite superiore nel piano T-S che dipende a sua volta dal coefficiente di dilatazione adiabatica. Questo a sua volta dipende dalla massa molecolare della molecola: una molecola piccola come l'ammoniaca ha un K elevato 1.3, andando ad aumentare la massa molecolare il K si abbassa e la temperatura di fine compressione si abbassa. Se la massa molecolare è particolarmente alta, la temperatura di fine compressione rischia di cadere all'interno della campana.

→ Effetto frigorifero volumetrico: influenza le dimensioni del compressore e rappresenta il rapporto tra l’effetto frigorifero e il volume specifico del vapore all’uscita dell’evaporatore. Questo secondo valore è fortemente variabile da refrigerante a refrigerante, quindi fluidi basso bollenti hanno un valore elevato mentre i fluidi alto bollenti hanno un valore basso. Di conseguenza il rapporto tende ad aumentare per fluido basso bollente e viceversa.

Proprietà di trasporto

• Densità + calore latente di vaporizzazione: A parità di capacità frigorifera determinano la portata volumetrica del fluido circolante e quindi la sezione delle tubazioni. Si può osservare che R717 (ammoniaca) richiede una sezione di passaggio circa tre volte più piccola rispetto a R22.
• Conducibilità termica, k: Influenza il coefficiente di scambio termico convettivo al condensatore e all'evaporatore.
• Viscosità dinamica
• Diffusività

Comportamento con olio lubrificante: con evaporatori ad espansione secca è preferibile una completa miscibilità tra olio e fluido frigorifero in quanto facilita il recupero dell’olio dal compressore ed evita lo sporcamento. Nel caso di sistemi a ricircolo di liquido è preferibile una completa immiscibilità.

Comportamento con acqua: L'acqua è poco solubile con gli alogenati mentre è solubile in tutte le proporzioni con l'ammoniaca con cui forma l'idrossido di ammonio. Il fatto che l'acqua non sia solubile può creare problemi all'impianto e al caricamento ghiacciando valvole quindi con gli alogenati abbiamo bisogno di filtri di dessiccatori e indicatori di umidità.

Compatibilità con i materiali: L'ammoniaca ha problemi con il rame e le sue leghe mentre gli alogenati non hanno problemi tranne che alcune volte con plastiche ed elastomeri. Queste ultime riguardano l’interazione con olio, acqua e metalli. Il diagramma pressione temperatura ci mostra come l'ammoniaca R717 è nettamente il refrigerante migliore seguito da R22.

Comportamento della CO2

Un comportamento molto diverso si ha per la CO2 o R744 che ha una temperatura critica molto bassa e pressioni molto più elevate rispetto agli altri refrigeranti. Inoltre, ha un punto triplo molto più elevato e quindi può congelare a temperature basse. La CO2 è un buon refrigerante ma può essere utilizzato solamente in range limitati.

R744-CO2 è un refrigerante naturale caratterizzato dall’avere una Tcritica di 31.1°C e una Pcritica di 73.8 bar. Nel condensatore di un ciclo a CO2 non avviene la condensazione, ma un raffreddamento isobaro di una fase gassosa densa. Infatti, il ciclo frigorifero a CO2 è trans-critico, poiché la Pcondensazione > Pcritica. Il livello delle pressioni è molto alto e perciò lo sarà anche l’effetto frigorifero volumetrico, anche se la portata volumetrica è inferiore rispetto agli altri cicli, con un COP teorico più basso. Il rapporto di compressione è più basso, mentre i coefficienti di scambio termico sono più elevati e perdite di laminazione ridotte grazie all’abbassamento della temperatura di uscita dal gas cooler. Nella pompa di calore a CO2 lo scambio termico con l’acqua è molto più efficace rispetto a R134.

Ammoniaca R717

R717-Ammoniaca è il miglior fluido refrigerante disponibile sia per le proprietà termodinamiche che per quelle di trasporto. Ha un ottimo impatto ambientale perché non inficia né sull’effetto serra né sull’ozono (ODP e GWP 0). I compressori che lavorano con questo refrigerante hanno solitamente un rendimento volumetrico più elevato anche perché hanno minori perdite di carico. Può sciogliere l'acqua. Le fughe sono immediatamente rilevate. Ha un costo basso. Ha un buon COP=15,6. Ha il maggiore salto entalpico di tutti e quindi maggiore possibilità di avere il freddo.

Contro: Incompatibile con il rame che è molto utilizzato negli scambi termici perché è un ottimo materiale dal punto di vista della conducibilità. Ha elevate temperature di fine compressione e quindi può dissociare l'olio. È leggermente infiammabile e soprattutto è tossico (categoria B2, misure di sicurezza elevate). Di conseguenza, è usata principalmente in gruppi frigo di media-grande potenza confinati in centrale dove è possibile adottare tutte le misure di sicurezza necessarie.

Altri refrigeranti

R22-HCFC: Caratteristiche simili all’ammoniaca ma presentando cloro è stato messo al bando.

R314a-HFC: Hanno problematiche legate all'effetto serra e quindi stanno andando in disuso. Il suo difetto principale è quello di avere un basso effetto frigorifero volumetrico che porta ad avere macchine più voluminose, più costose e di conseguenza più rumorose e con efficienza ridotta. Un grande pregio è la bassa temperatura di fine compressione che gli permette di essere utilizzato soprattutto in applicazioni domestiche come pompe di calore e sistemi di climatizzazione di automobili. Presenta caratteristiche simili all’R22, ma ha pressioni un po’ più basse quindi abbiamo dimensionamento impianto leggermente diverso.

R407C-HFC: Primo sostituto del R22 ed è una miscela non azeotropica e quindi ha un “glide” non trascurabile e quindi la miscela si comporta come miscela a tutti gli effetti e non come fluido altro puro. Anche questo refrigerante stato messo al bando perché, come il precedente, in caso di perdita non è possibile il rabbocco ma occorre rifare la carica completa. Ciò impatta sull’effetto serra.

R410A-HFC: Molto utilizzato nelle pompe di calore e nei condizionatori di tipo residenziale. Anche questo è stato messo al bando, l'efficienza teorica non è migliore rispetto agli altri fluidi a causa della bassa temperatura critica. È una miscela binaria.

R404A-HFC: Molto utilizzato per la refrigerazione commerciale, ormai messo al bando. Temperatura di fine compressione vicina a quella del R134a e presenta caratteristiche simili al R22. Il problema principale è che in molte applicazioni la soluzione non è stata trovata ancora e quindi tutti questi refrigeranti non sono ancora completamente in disuso. Una soluzione di compromesso è data dagli inorganici o dagli idrocarburi.

Idrocarburi

Idrocarburi: Sono tenuti in considerazione soprattutto per l'impatto ambientale perché per esempio il propano e l'isobutano (R600a) sono fluidi che non hanno un impatto ambientale. Tuttavia, hanno problemi legati all'infiammabilità e quindi hanno applicazioni limitate.

CO2

CO2: È un refrigerante a basso impatto ambientale. Ha delle discrete prestazioni termodinamiche ma ha diversi limiti tra cui la temperatura critica molto bassa (31°) abbinata ad una pressione critica molto alta (73 bar). Di conseguenza, lavorare con la CO2 è molto complicato. Tipicamente, a causa della temperatura critica bassa si lavora con cicli trans-critici dove la condensazione avviene al di sopra del punto critico. Il livello di pressione media è molto alto e quindi l'effetto frigorifero è molto elevato, grazie a ciò si ha poco ingombro. Il COP è molto basso, pari a 2 per R134a e a 1,34 per R744. Nonostante ciò, in alcune particolari applicazioni è possibile ottenere efficienze confrontabili con quelle dei fluidi tradizionali. Ad esempio, è utilizzato molto nei cicli in cascata perché può lavorare in miscela negli stadi di basse temperature e quindi dove non c'è il problema del punto di critico troppo basso.

Nuovi refrigeranti HFO

Protocolli e regolamenti: Negli ultimi anni si è prestata maggiore attenzione all’impatto ambientale. Molti degli HFC avevano un elevato impatto ambientale e quindi sono stati messi al bando. Negli ultimi anni ci si è concentrati sugli alcheni che sono degli idrocarburi. Gli isomeri potrebbero essere potenziali refrigeranti a basso GWP. Ci sono molte problematiche con questi nuovi refrigeranti; infatti, non è facile sostituire i precedenti; tuttavia, è necessario soprattutto in vista delle nuove direttive europee e globali. In particolare, è stato imposto che non si possono utilizzare impianti di climatizzazione con HFC o simili che hanno un GWP>150. Quindi si è imposto di sostituire principalmente R134a ma i sostituti hanno mostrato dei limiti:

• R152a – infiammabile
• CO2 – presenta cicli trans-critici modifiche impianto
• R1234yf – HFO più utilizzato (derivato del propene)

L’interesse dal punto di vista ambientale, e quindi la stesura di protocolli e regolamenti per i refrigeranti, inizia nel 1987 con il Protocollo di Montreal. Inizialmente le riduzioni erano solo su base volontaria, solo nel 1998 sono state ottenute le firme dei 55 paesi.

Caratteristiche

Il concetto fondamentale degli isomeri, che sono dei derivati del propene, è quello di avere un legame insaturo (detto doppio legame C-C). Questo è un enorme vantaggio a livello ambientale perché garantisce una certa rigidità della molecola e fa sì che una volta dispersa in atmosfera questa si rompe subito (non perdura in atmosfera). Questi isomeri del propene sono chiamati anche olefine e alcheni e quindi vengono indicati come HFO e HFA o come HFC cioè come idrofluorocarburi in quanto sono una sottoclasse di questi.

Problematiche principali HFO

• Infiammabili: Quando il numero di atomi di H aumenta in rapporto al numero di atomi di H e F, il rischio di infiammabilità aumenta. In particolare, gli isomeri R1225 e R1243 sono quelli che presentano un maggior rischio. Anche R1234yf è infiammabile ma richiede molta più energia di attivazione rispetto ad altri refrigeranti.
• Tossicità: È un altro aspetto critico ed è molto più difficile da valutare perché richiede diversi test. Di conseguenza, molti isomeri di R1225 non sono stati sviluppati per problemi di tossicità.
• Molte proprietà degli HFO non sono ancora note e quindi è necessario fare ancora test. Ad oggi si lavora facendo delle stime (tramite principio degli stati corrispondenti), effettuando nuove misure e utilizzando modelli.

HFO hanno forma della campana sia nel T-S che nel P-h simile a R134a.

Prospettive future

In passato le applicazioni principali erano coperte da:

• R410A per residenziale e commerciale di piccola taglia
• R134a per condizionamento autovetture
• R404A insieme R507A per refrigerazione industriale e commerciale

Tutti banditi perché elevato impatto ambientale.

Primi HFO commercializzati:

• R1234yf sostituisce R134a per l’industria automobilistica e ha GWP circa 0.
• R1234ze(E) sostituisce R134a per i chillers centrifughi e ha GWP=1
• R1233zd(E) può essere usato a basse T e ha GWP=1

Ci sono ancora diverse applicazioni scoperte:

• Bassissime T (come cicli in cascata quindi per T < -60)
• Altissime T

La refrigerazione domestica è attualmente affidata a refrigeranti naturali infiammabili come l'isobutano R600a. La refrigerazione commerciale, invece, è affidata alla CO2 che è molto interessante ma ha diversi problemi tra cui:

• Temperatura critica bassa
• Pressioni molto elevate che richiedono il ridimensionamento dell’impianto
• Non è molto efficiente in climi caldi

Negli anni, la ricerca ha garantito lo sviluppo di impianti che riescono a sfruttare al meglio la CO2 permettendone così l’utilizzo. La migliore opzione per la refrigerazione industriale resta l'ammoniaca (R717) perché è il migliore refrigerante (La sua campana è molto più allargata e quindi ha il salto entalpico maggiore) in assoluto e resta la migliore opzione anche in prospettiva futura. Il problema principale rimane quello della infiammabilità e della tossicità che richiede misure di sicurezza appropriate che possono essere garantite solo a livello industriale.

Per quanto riguarda la Room AC cioè i condizionatori domestici, per molto tempo è stato utilizzato R22 ma attualmente è stato sostituito da R32 che ha infiammabilità non troppo elevata e GWP medio. Talvolta si usa il propano (R290) ma è molto più infiammabile. In futuro sicuramente si opterà per miscele di HFC+HFO.

Per il condizionamento delle automobili Mobile AC si utilizza R1234yf che è stato sviluppato principalmente per questa applicazione. Infatti, tutto è partito da abolizione R134a. Ha diversi svantaggi:

• Quando finisce in atmosfera produce acido trifluoroacetico.
• In caso di fuoco in auto si produce acido fluoridrico.

L'avvento dei veicoli elettrici ha creato la necessità di avere a bordo sia riscaldamento che raffreddamento, di conseguenza questi vengono spesso equipaggiati con pompe di calore a base di CO2.

Conclusioni

• Il refrigerante naturale (idrocarburi, anidride carbonica, ammoniaca, acqua e aria) resta la prima opzione perché sono facilmente disponibili e impattano poco sull’ambiente.
• Quando un refrigerante naturale mostra limiti si utilizza un refrigerante sintetico.
• L'unico refrigerante sintetico (HFC) che ad oggi ha un buon compromesso tra proprietà termodinamiche ed ambientali è R32.
• Gli HFO hanno migliori caratteristiche ambientali ma sono anche infiammabili, inoltre al momento nessun fluido puro sembra essere abbastanza buono da solo.