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IL FREDDO CON LA CO2

La produzione del freddo senza fluido refrigerante 

Jacques Loigerot - Centre Techniques des Industries Mcaniques - CETIM

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO E TIPOLOGIA

L'UTILIZZO DEGLI IMPIANTI A CASCATA

La CO₂ puo' essere utilizzata con un altro refrigerante naturale a cascata ( ammoniaca, idrocarburi per esempio il propano). Questa tecnologia e' matura e in corso di integrazione nell'industria.

Figura 5: Impianto a cascata con propano/biossido di carbonio.

Nestle' ha scelto nel 2003, di promuovere questa tecnologia (a cascata con l'ammoniaca) in diverse unita' di produzione negli Stati Uniti e in Inghilterra. Nel quadro della sua politica di sviluppo a lungo termine, questa Societa' ha voluto coinvolgere  i suoi distributori sviluppando impianti refrigeranti a CO₂ nei punti di distribuzione.

A questo scopo e' stata iniziata una partnership con tutte le parti che realizzano i componenti dei gruppi frigoriferi ( gruppo refrigerante, congelatore, torre di evaporazione,..).

Queste azioni permettono di diminuire il consumo di energia del 25% e di utilizzare prodotti puliti. Hanno un impatto diretto sui fabbricanti delle macchine refrigeranti che devono anticipare questa richiesta di prodotti puliti ed economici.

Danfoss ha realizzato un impianto pilota in Danimarca con un impianto a cascata che utilizza il propano per il livello piu' alto della temperatura ( da -14C.a +25C.) e della CO₂ per il livello piu' basso della temperatura ( da -32 a -10C.).

UTILIZZO COME REFRIGERANTE VOLATILE SECONDARIO

Il brevetto GB2258298 e' relativo all'utilizzo come fluido secondario della CO₂ che circola negli evaporatori e viene condensato con un refrigerante classico. Cio' permette di evitare l'utilizzo di un secondo compressore. Il CO₂ necessita di un flusso meno importante rispetto ad un secondo refrigerante come il glicole e dunque di un sistema di pompaggio meno voluminoso.

Sembra che questa soluzione si stia sviluppando rapidamente.

Carrefour ha scelto il CO₂ per le applicazioni a temperatura negativa e il raffreddamento con ice slurry per le applicazioni a temperatura positiva al fine di raffreddare la superficie dei prodotti freschi ( piu' di 6100 m²) nella sua sede di Collegien ( Seine et Marne).

L'impianto ha permesso di sostituire un fluido HFC con del CO₂ e di risparmiare energia.

Finanziariamente la necessita' di una zona di stoccaggio di 50m³ per lo strato di ghiaccio e' compensata dalla riduzione del gruppo refrigerante  (un gruppo elettrogeno invece di due). L'impianto utilizza 600 kg di fluido R 404A invece di 2000 kg. La Societa' Heatcraft allorigine di queste tecnologie ice slurry e CO₂,

L'ice slurry un fluido costituito da acqua, da una soluzione incongelabile e da micro particelle di ghiaccio, il cui diametro e' di circa 0,1 mm. Dato che la soluzione rimane fluida con il 30% di ghiaccio, e' possibile utilizzare le pompe tradizionali. Il principio utilizza il calore latente di fusione del ghiaccio. La gamma proposta da Heatcraft varia da 8 a 95 kW. Questa tecnologia viene utilizzata nei caseifici, nei bar, nel condizionamento d'aria, nello stoccaggio del freddo e, con sempre maggiore frequenza, nell'industria agro-alimentare.

Per le temperature negative, si utilizza un liquefattore composto da due circuiti, un circuito primario che utilizza il fluido R404A in compressione di vapore, e un circuito secondario che utilizza la CO₂.

La CO₂ porta la potenza frigorifera verso gli utilizzatori, fatto che riduce considerevolmente il volume del fluido HFC. La sezione dei tubi ridotta e il consumo di energia ridotto. Dopo lo sbrinamento, il ritorno in temperatura del refrigeratore puo' essere piu' rapido di tre volte.

Le restrizioni all'utilizzo di questo impianto sono legate alle temperature di utilizzo comprese tra
-40 e -25C. Inoltre un periodo di arresto importante ( piu' di un mese) nuoce al buon funzionamento dell'impianto. Le unita' hanno una potenza media di 50kW.

Uno studio dimostra che gli impianti con refrigerazione indiretta nei mobili refrigerati per grandi superfici sono altrettanto efficaci e a volte migliori degli impianti diretti. Puo' essere dovuto al rendimento basso degli scambiatori in funzionamento diretto. Questi scambiatori hanno periodi di sbrinamento estremamente lunghi e volumi importanti, con una serie di svuotamenti e di riempimenti dell'evaporatore. La variazione di temperatura della superficie degli scambiatori degli impianti a funzionamento diretto varia da 6 a 10 K mentre per gli impianti indiretti, questa variazione di 2K.

L'utilizzo di anelli indiretti con la CO₂ dovrebbe permettere di aumentare l'efficacia degli impianti indiretti e, dunque, sembra promettente.

UTILIZZO COME REFRIGERANTE DIRETTO

L'utilizzo della CO₂ come refrigerante diretto implica l'utilizzo di una pressione vicina alla pressione critica, che e' una pressione molto alta, nuocendo al rendimento. L'utilizzo di compressori a vite dovrebbe migliorare la situazione. Questa tecnologia puo' essere paragonata alle altre nel settore del condizionamento dell'aria.

VANTAGGI

La CO₂ non e' ne' tossica, ne' infiammabile. Associata all'ammoniaca negli impianti a cascata come fluido refrigerante a bassa temperatura, permette di confinare i fluidi tossici nella sala dei compressori. L'impianto misto e' piu' efficace alle temperature da -40 a -55C.

L'impianto a cascata permette di utilizzare lo stesso sistema per il raffreddamento e la congelazione.

INCONVENIENTI

L'inconveniente principale della CO₂ la sua temperatura critica bassa: il suo funzionamento ad alta pressione lo rende poco utilizzabile in un impianto a doppio anello. Questi inconvenienti sono evitati nell'impianto a cascata ma l'investimento e' dal 10 al 20% superiore. Questo costo diminuisce con l'aumento della potenza.

Quando la pressione di scarico raggiunge o supera il punto critico, il COP e' basso.

Le pressioni, che arrivano fino a 120-140 bar presuppongono la presenza di impianti di compressione con maggiori rendimenti, una buona tenuta meccanica dei materiali e una buona tenuta stagna.

L'arresto di questi impianti ha un costo importante ( gestione della CO₂ a temperatura ambiente nel quadro dell'ice slurry, per esempio).

Dato che la CO₂ e' inodore, una fuga puo' causare pericolo in presenza di una forte concentrazione.

RENDIMENTO

Sono In corso degli studi che hanno l'obiettivo di ridurre il consumo energetico  ( ora superiore del 10% rispetto a quello della compressione di vapore) e di migliorare l'efficienza energetica dell'impianto per raggiungere il livello dellR404A.

Notiamo, pero', che il consumo energetico di un impianto a CO₂ potrebbe essere inferiore del 32% rispetto a quello dell'impianto che utilizza lR22 recuperando l'energia di scarico.

PROSPETTIVE ED EVOLUZIONI

La CO₂ interessa i seguenti mercati:

-gli impianti di stoccaggio del freddo di grandi e medie dimensioni, come sostituto dellR22 e dellR717.

-i congelatori dei supermercati come sostituto dellR404A.

-gli impianti a bassa temperatura e i tunnel di congelazione come sostituto dellR717.

-la climatizzazione degli autoveicoli.

Questa tecnologia diventata standard per gli impianti di grandi superfici.

Sono in corso di studio impianti misti, come la miscela CO2-propano, che diminuisce la pressione di saturazione della CO₂ e riduce linfiammabilit del propano. Questa miscela potrebbe essere utilizzata negli impianti convenzionali e negli impianti a cascata.