INTRODUZIONE

Nel corso degli ultimi anni, gli HCFCs (idro-fluoro-cloro-carburi) e gli HFCs (idro-fluoro-carburi) hanno sostituito, i cloro-fluoro-carburi (CFC). Diversi azeotropi e miscele (blends) di HFC e HCFC sono state sviluppate e introdotte sul mercato, in aggiunta a fluidi puri come l’HFC 1,1,1,2-tetrafluoroethane (R134a). Oggigiorno, detti refrigeranti come, ad l’R-410A, l’R-507, l’R-407C, l’R-404A, l’R-408A, l’R-402A e l’R-409A sono ben conosciuti.

L’individuazione di sostituti di sostanze dannose per l’ozono, come il CFC-113, refrigerante a bassa pressione usato tipicamente in refrigeratori d’acqua (chillers) con compressore centrifugo, ha comportato maggiori difficolta'. Il CFC-11, ugualmente utilizzato in chillers centrifughi, e' stato rimpiazzato con successo dall’ HCFC-123 e dall’ HFC-134a.

Gli HCFC di nuova produzione saranno banditi definitivamente nella Comunita' Europea a partire dall’ 1/1/2010 poiche' influiscono ancora sull’ozono per la presenza del cloro in molecola. Per tanto, la loro disponibilita' per la manutenzione, dopo quella data, potrebbe non essere piu' economicamente conveniente. Allo stesso modo, la rapida eliminazione dell’HCFC-141b, come agente espandente nella produzione di pannelli e schiume isolanti, e solvente per il flussaggio di sistemi frigoriferi , ha comportato un’enorme mole di lavoro alla ricerca di soluzioni accettabili.

Con la commercializzazione dell’ HFC 1,1,1,3,3-pentafluoropropane (HFC-245fa; R-245fa ) si rende disponibile un prodotto con proprieta' termofisiche e caratteristiche ambientali tali da consentire svariate applicazioni come chillers centrifughi per il condizionamento civile, cicli Rankine organici per il recupero di calore e generazione di energia elettrica, trasferimento di calore sensibile nella refrigerazione a basse temperature, fluidi secondari nella refrigerazione commerciale, pompe di calore e sistemi di raffreddamento passivo. A ci si aggiungono svariati usi come agente espandente, solvente e agente per aerosol. Lo scopo della presente relazione e' di analizzare alcune proprieta' ed esplorare alcune applicazione dell’ HFC-245fa come fluido di lavoro in refrigerazione e condizionamento.

L’HFC-245fa presenta un’elevata Temperatura Critica (154 C), che si traduce in una efficienza del ciclo frigorifero maggiore rispetto, ad esempio, l’R134a, avente T.C. ˜101C.

Test di laboratorio indicano l’HFC-245fa come un fluido di elevata stabilita' termica e idrolitica.

APPLICAZIONE IN REFRIGERATORI D’ACQUA (CHILLERS) CENTRIFUGHI

Attualmente, la maggior parte dei chiller destinati al condizionamento civile operano con R-123 or R-134a. Nonostante il fatto che l’R-123 abbia un ODP bassissimo (0.016 relativo a quello de l’ R-11=1), e' stato bandito per applicazione in nuovi impianti. L’uso alternativo dell’R-134a penalizza l’efficienza termodinamica del ciclo ad R-123 ed altri refrigeranti a bassa pressione. Inoltre, costringe i produttori di chiller centrifughi ad adattare le linee produttive e modificare il processo produttivo.

Un’alternativa e' rappresentata dall’uso dell’ R-245fa. Le sue pressioni di lavoro sono leggermente superiori a quelle dell’R-123. Il suo punto di ebollizione ad 1 atm e' di 15,3C per cui l’evaporazione avviene a pressione inferiore a quella atmosferica, come per l’R-123, mentre la pressione di condensazione eccede 1bar e richiede uno scambiatore certificato come recipiente in pressione.

La Tavola 3 evidenzia i risultati dell’analisi termodinamica di applicazioni in chiller sia mono- che bi-stadio. Sebbene l’efficienza sia leggermente inferiore rispetto un chiller mono-stadio con R123, questa differenza si riduce nel caso di sistemi multi-stadio. Superiori proprieta' di trasporto di calore tendono a ridurre ulteriormente la differenza. Inoltre, l’R-245fa puo' essere utilizzato per aumentare la capacita' di una linea di prodotti ad R-123 esistente.

Dal punto di vista dello scambio termico, esistono recenti valutazioni secondo le quali il trasferimento di calore in condensazione e' quantomeno comparabile a quelli dell’R-123 e dell’ R134a e, addirittura, superiore di quello dell’R-123 in alcuni casi in cui le superfici di scambio sono state migliorate.

Conditioni operative:

Si e' effettuata una valutazione del Valore Attuale delle differenze del costo di gestione per comprendere l’impatto economico legato alla scelta dell’R-245fa piuttosto che dell’R-134a. I risultati sono riassunti in Tabella 4. L’analisi si basa sulla comparazione dell’efficienza termodinamica che si rileverebbe dai test condotti per stabilire l’Integrated Part Load Value per l’efficienza (ARI Std 550-590-98). L’analisi, fatta per un chiller da 750-ton, non include l’effetto che si avrebbe recuperando lavoro dalla turbina. L’analisi economica si basa sulle prestazioni di una macchina mono-stadio ad R-134a, confrontata con macchine equivalenti mono e bi-stadio operanti con R-245fa (i chillers multi-stadio sono tipici nel caso di refrigerante a bassa pressione). Si e' assunto un ammortamento del 15% annuo, una vita operativa di 15 anni ed un costo dell’elettricita' di 0,063 Euro/kW-h (costo medio europeo a Luglio 2000). Si puo' notare che il Valore Attuale del risparmio sui costi operativi per un chiller mono-stadio con R-245fa e' di 12.700 Euro, e sale a 29.000 Euro nel caso di macchina bi-stadio

Per comprendere l’impatto ambientale che la scelta di refrigerante comporta in questo tipo di applicazione, si e' voluto analizzare il contributo diretto (per emissione diretta di refrigerante nell’atmosfera) e indiretto (per combustione di carburanti fossili per produrre l’energia elettrica assorbita dal sistema) al riscaldamento globale atmosferico. Per compensare l’energia e le emissioni associate alla produzione dei refrigeranti, i valori di GWP (Global Warming Potential = Potenziale di Riscaldamento Globale) (IPCC, 2001) sono stati incrementati secondo quanto riportato nel rapporto di Arthur D.Little (ADL), pubblicato nel Marzo 2002 (⁷) ed appaiono nella Tabella 5.

L’assorbimento di potenza annuale e' stato tratto dalla Tabella 4. Altri dati, necessari per completare l’analisi, sono state tratte dallo stesso rapporto ADL. Ad esempio, si e' assunto un valore di 0.65 kg di CO₂ per kW-hr elettrico, una perdita annua dell’1% della carica di refrigerante per un periodo operativo di 30 anni. L’impatto ambientale e calcolato come segue:

Tabella 5

Un Ciclo Rankine Organico (ORC) converte energia termica in potenza meccanica all’albero utilizzando, per definizione, un fluido che ha in molecola uno o piu' atomi di carbonio.

All’interno di una serie omologa di fluidi di lavoro, la capacita' termica e l’entropia molecolare crescono all’aumentare la lunghezza della catena e del peso molecolare. piu' specificatamente, per calori latenti comparabili, l’efficienza del ciclo aumenta perche' l’inclinazione della linea di trasformaz’isoentropica diminuisce. Data la proporzionalita' tra il log naturale della pressione e l’inverso della temperatura, l’inclinazione delle linee di espansione (entropica) corrisponder approssimativamente alla variazione di entalpia al variare della temperatura. (per piccoli delta T)), ovvero, alla capacita' termica. Anche se l’R-11, l’R-123 e l’R-245fa non appartengono alla stessa serie omologa, la maggiore lunghezza della catena molecolare dell’R-245fa significa che la componente vibrazionale della capacita' termica aumenta, cosi' come l’entropia, per effetto dell’aumento del grado di libert (⁸). La Figura 3 evidenzia il miglioramento dell’efficienza del ciclo quando variano entalpia ed entropia per aumento della capacita' termica.

Fino a pochi anni or sono, la maggior parte dei fluidi di lavoro alogenati erano basati su molecole con uno o due atomi di carbonio. Inoltre, la domanda di fluidi per ORC era limitatissima e non giustificava lo sviluppo di fluidi dedicati. Ora, la disponibilita' di un fluido adeguato all’ ORC, come l’R-245fa, rappresenta un’opportunita' nel caso in cui si voglia incrementare la produzione di energia elettrica da centrali termoelettriche che utilizzano turbine a vapore. Allo stesso modo, le grosse Compagnie industriali possono ora valutare seriamente il recupero di calore di scarto trasformandolo in energia elettrica.

Utilizzando l’R-245fa per la conversione del calore di scarto di generatori di calore per combustione di combustibile fossile, l’ammontare dell’energia elettrica prodotta per unita' di peso del combustibile sarebbe maggiore e contribuirebbe a soddisfare il fabbisogno dell’utenza senza senza peggiorare le emissioni.