I sistemi di refrigerazione transcritici a CO₂

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.

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 totalità delle situazioni in cui un sistema con CO₂ diverso da un sistema convenzionale con refrigeranti sintetici.

1. 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 utilità di eventuali scambiatori rigenerativi, sia il controllo del surriscaldamento effettivamente realizzato dai dispositivi di espansione utilizzati.
2. 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.
3. Funzionamento in condizioni subcritiche: Un sistema progettato per funzionamento transcritico può funzionare in modo molto efficiente anche quando lavora in condizioni subcritiche, purché 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.
4. 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 parità 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.