La Refrigerazione a CO₂

Gli impianti refrigeranti a CO₂ garantiscono la massima efficienza grazie ad un recupero di calore maggiore, da cui ne conseguono prestazioni più elevate. Ciò è reso possibile dalle eccezionali proprietà termodinamiche intrinseche della CO₂ che, di conseguenza, risulta essere il gas refrigerante ideale.

Refrigerazione a CO₂

Con un crescente interesse nell'uso di refrigeranti naturali, tipicamente quelli con un potenziale di riscaldamento globale (GWP) non più di 150 e con l'obiettivo di tutelare gli impatti sull’ambiente, una delle scelte migliore ricade su l'utilizzo dell'anidride carbonica come refrigerante "naturale" per la vendita al dettaglio, la produzione alimentare, gli impianti di trasformazione alimentare e la catena del freddo. Con potenziale di riduzione dell'ozono pari a zero (ODD) e GWP da molto basso a zero, i refrigeranti naturali sono visti come un'ottima alternativa ai refrigeranti sintetici in quanto sono meno inquinanti per la nostra atmosfera.

In passato l'anidride carbonica è stata particolarmente utilizzata come fluido refrigerante nei sistemi frigoriferi fino agli anni 40, date le sue caratteristiche di non tossicita' e non infiammabilita'. Tuttavia, le elevate pressioni di lavoro ne avevano causato l'abbandono a favore dei refrigeranti sintetici. Col passare degli anni le progressive restrizioni sull'uso dei refrigeranti sintetici volte a limitare l'assottigliamento dello strato di ozono (Montreal, 1987) e a contenere l'immissione nell'atmosfera di gas serra (Kyoto, 1999), congiuntamente con lo sviluppo di componenti affidabili e idonei al funzionamento con elevate pressioni, hanno riproposto l'anidride carbonica come uno dei refrigeranti naturali piu' interessanti, che si candida per essere la soluzione più largamente utilizzata in futuro nel settore della Refrigerazione.

Proprietà generali e caratteristiche della CO₂

La CO₂ ha diverse proprietà termodinamiche uniche, che la rendono il refrigerante ideale.

Ottimo coefficiente di trasferimento di calore
Elevato contenuto energetico
Poca sensibilità alle perdite di pressione
Viscosità estremamente bassa

Nelle applicazioni pratiche, il vantaggio degli impianti a CO₂ è che offrono prestazioni molto elevate. Le maggiori ragioni sono:

Scambio termico superiore
Dimensione dei tubi ridotta
Ridotta potenza di pompaggio quando la CO₂ è utilizzata come fluido secondario
Maggiore recupero di calore

Per tutti i refrigeranti, l'efficienza del sistema diminuisce con l'aumento della temperatura di condensazione. Le alte temperature di condensazione sono spesso considerate un fattore limitante per l'utilizzo della CO₂. Tuttavia, le proprietà termofisiche intrinseche della CO₂ e l'utilizzo dell'energia di espansione con gli eiettori possono contribuire a compensare questo fattore.

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Impianti di Refrigerazione a CO₂

I sistemi di refrigerazione a CO₂ possiedono opzioni di recupero del calore che possono contribuire a rendere l'azienda ancora più a prova di futuro. La CO₂ e il suo elevato contenuto energetico, che continua a scalare a temperature maggiori, possono essere recuperati, rendendo più alta l'efficienza energetica complessiva del sistema.

Quando si dispone di un fluido di raffreddamento (aria o acqua) a temperatura inferiore a 20°C, l'anidride carbonica può essere utilizzata come un qualunque altro fluido frigorifero, operando in ciclo subcritico. Naturalmente il diverso livello di pressione richiede componenti e accorgimenti impiantistici adatti. Quando il fluido di raffreddamento disponibile ha temperature superiori a 20°C è necessario operare secondo un ciclo detto transcritico.

È quindi la bassa temperatura critica della CO₂ che comporta l'impossibilità di operare sul mercato in modo tradizionale.

Transcritico e Subcritico

Nell’applicazione di CO₂ il sistema è chiamato sistema transcritico perché parte del refrigerante opera al di sopra del punto critico e parte opera al di sotto del punto critico. Subcritico, supercritico e transcritico descrivono tutti le pressioni e le temperature di esercizio di un sistema di refrigerazione rispetto al punto critico. Un tipico sistema di refrigerazione “normale” è un sistema subcritico perché tutto accade al di sotto del punto critico. In un sistema supercritico, tutti i componenti operano a pressioni e temperature superiori al punto critico.
Un sistema supercritico opera sulla compressione e l’espansione del gas senza alcun cambiamento di stato. Tutto il trasferimento di calore avviene tramite la variazione della temperatura del gas (effetto sensibile).

Un circuito transcritico opera sia sopra, sia sotto il punto critico. Il calore viene assorbito in un evaporatore dove il liquido evapora in gas, ma il rilascio del calore avviene al di sopra del punto critico, quindi non c’è condensa in quello che normalmente sarebbe considerato il condensatore. Il refrigerante non condensa di nuovo in un liquido fino a quando la pressione non viene ridotta.
La temperatura critica di un refrigerante è la temperatura al di sopra della quale il refrigerante non può essere liquefatto indipendentemente dalla pressione sul vapore refrigerante.

Supponiamo che la temperatura critica di un determinato refrigerante sia bassa. Il ciclo sarà quindi:

Il compressore comprimerà il vapore refrigerante alla pressione del condensatore.
All’aumentare della pressione, la temperatura del refrigerante aumenterà.
Ora, se la temperatura critica del refrigerante è bassa, la temperatura del fluido raffreddante (aria o acqua) potrebbe superare la temperatura critica.
Se ciò accade, il refrigerante non si liquefa nel condensatore.
Quindi il refrigerante rimarrà allo stato di vapore e si espanderà come vapore.
Rimarrà vapore dopo l’espansione e quindi entrerà nell’evaporatore.
Poiché il refrigerante è già in fase vapore, non assorbirà calore dall’evaporatore e l’effetto di raffreddamento sarà molto basso.
Ciò aumenterà il consumo di energia.

Ciò non accadrà se la temperatura critica del refrigerante è elevata poiché la temperatura dopo la compressione sarà ancora inferiore alla temperatura critica e il vapore si liquefarà nel condensatore.

La CO₂ nei sistemi subcritici in cascata è il refrigerante utilizzato per lo stadio di bassa temperatura (aspirazione dei compressori a -30°C/-35°C). Il calore ceduto nella condensazione della CO₂ viene assorbito dal refrigerante dello stadio di media temperatura.

L’anidride carbonica (CO₂ R744) è naturale, non ha alcun effetto di riduzione dell’ozono, è economica, incolore e non ha odore. Può essere utilizzata direttamente come refrigerante, sia in alta temperatura di condensazione, (transcritico), con alta pressione di scarico, superiore a 1100 psi, o con temperatura di condensazione inferiore (subcritico). Transcritico è utilizzato principalmente con compressori semiermetici.