I sistemi di refrigerazione transcritici a CO2
Un ciclo transcritico è un ciclo termodinamico chiuso dove il fluido di lavoro attraversa sia la fase liquida che quella supercritica e gassosa. Rispetto ai sistemi che utilizzano refrigeranti alogenati - dove si ha la condensazione del fluido - nel ciclo transcritico a CO2 occorre che un gas-cooler vada a raffreddarlo, in quanto si raggiungono temperature che superano la temperatura critica della CO2.
Cos’è un ciclo transcritico
Un ciclo transcritico è un ciclo termodinamico chiuso dove il fluido di lavoro attraversa sia la fase liquida che quella supercritica e gassosa. In particolare, per cicli di potenza, il fluido di lavoro è tenuto in condizioni liquide nella fase di compressione e vapore supercritico durante l'espansione. Il ciclo ultrasupercritico rappresenta l'applicazione più comune di ciclo transcritico per applicazioni di larga scala, dove l'acqua è usata come fluido di lavoro.
Rispetto ai rispettivi cicli subcritici, i cicli transcritici possono sfruttare maggiori rapporti di compressione e conseguentemente efficienze di ciclo più alte per la maggior parte dei fluidi di lavoro e lavori specifici maggiori. Rispetto ai cicli supercritici, invece, un ramo di pressione si trova sotto la pressione critica (condensando) e l'altro si trova a pressioni maggiori di quella critica.
Nel campo della refrigerazione, il Diossido di Carbonio, anche detto Anidride Carbonica, è considerato come fluido molto promettente a causa della posizione del suo punto critico.
Sistema di refrigerazione transcritico a CO2
Sistema trans-critico: il CO2 opera in modo diverso rispetto ai refrigeranti alogenati. Mentre negli alogenati si verifica la condensazione del fluido, nel sistema trans-critico a CO2 occorre un raffreddamento del fluido nel gas-cooler, in quanto le temperature superano la temperatura critica del CO2. In questi sistemi si hanno alte pressioni di lavoro che possono raggiungere 90 bar o 1305 PSIG. Il fluido refrigerante è quindi immagazzinato nel serbatoio del liquido e dopo distribuito al sistema di bassa e media temperatura. Il prelievo avviene sempre nella parte inferiore del serbatoio, in modo da inviare solo liquido al sistema. Alla media temperatura il fluido esce dal serbatoio, passa attraverso la valvola di espansione, attraverso l’evaporatore e dopo è aspirato da compressori di media temperatura. Nel sistema a bassa temperatura, il refrigerante passa sempre per la valvola di espansione e per l’evaporatore, ma, prima, è aspirato dal compressore di bassa temperatura. Questi compressori abbassano la pressione alla condizione di congelamento. Dopo di che, il fluido è aspirato dai compressori di media temperatura e così si chiude il circuito.
Hai bisogno di maggiori informazioni sui sistemi di refrigerazione transcritici a CO2?
Impianti di refrigerazione a CO2: particolarità progettuali
In fase di progettazione di un impianto a CO2 devono essere seguiti particolari accorgimenti, molto diversi rispetto a quelli usati nei sistemi con refrigeranti convenzionali, sia per i sistemi funzionanti in regime subcritico sia per i sistemi funzionanti in regime supercritico. A solo titolo di esempio si citano i seguenti punti, che non esauriscono la totalita' delle situazioni in cui un sistema con CO2 diverso da un sistema convenzionale con refrigeranti sintetici.
- Temperatura di fine compressione: I compressori di tipo semiermetico necessitano di un controllo molto accurato della temperatura di aspirazione. E' facile raggiungere, anche con i sistemi frigoriferi aventi temperature di evaporazione intorno a -10°C, temperature di fine compressione prossime a 200°C, eccessive per il compressore. E' necessario quindi verificare sia l'idoneita' che l'effettiva utilita' di eventuali scambiatori rigenerativi, sia il controllo del surriscaldamento effettivamente realizzato dai dispositivi di espansione utilizzati.
- Sistemi a bassa temperatura: Si raccomanda di utilizzare compressori a doppio stadio per temperature di evaporazione inferiori a -25°C. La soluzione piu' pratica è quella di utilizzare dei compressori bistadio internal compound; tali compressori infatti permettono di suddividere in due parti il salto di pressione mantenendo per un unico corpo compressore. Di norma, fra primo e secondo stadio di compressione, viene posto uno scambiatore di calore che operi una interrefrigerazione intermedia; questa soluzione garantisce sia una sostanziale diminuzione della temperatura di fine compressione del secondo stadio che un'elevata diminuzione del lavoro complessivo di compressione e, dunque, della potenza assorbita.
- Funzionamento in condizioni subcritiche: Un sistema progettato per funzionamento transcritico puo' funzionare in modo molto efficiente anche quando lavora in condizioni subcritiche, purche' la logica di commutazione e lo scambiatore di alta pressione siano progettati per entrambe le condizioni di funzionamento. Questa possibilità permette di ottenere elevati valori di COP (coefficient of performance) calcolato su base annuale.
- Sottoraffreddamento: Le caratteristiche termofisiche dell'anidride carbonica consigliano di progettare il sistema di smaltimento del calore in modo da ottenere, nel funzionamento subcritico, un sottoraffreddamento del condensato, e in regime transcritico, quando possibile, anche di utilizzare un raffreddamento evaporativo (nebulizzando acqua) nella parte finale dello scambiatore. A parita' di sottoraffreddamento, l'incremento di efficienza di cui il sistema beneficia è nettamente superiore con l'impiego di anidride carbonica (CO2) rispetto a quello che si ottiene con gli altri refrigeranti sintetici.
Criteri di sicurezza: dispersione in ambiente
A differenza degli altri fluidi impiegati in refrigerazione la CO2, pur non presentando caratteristiche di tossicità, ha un ruolo attivo nel processo di respirazione, e per questo motivo devono essere usate delle cautele particolari.
Per la CO2, classificata A1, il limite di concentrazione fissato dalla norma EN378-2 è circa 0,1 kg/m3.
In estrema sintesi è necessario installare, in via cautelativa, dei sensori di concentrazione di CO2 nelle aree chiuse con presenza di persone quando la concentrazione di CO2 in ambiente per rilascio totale della carica supera il valore limite.
