Ciclo SUBCRITICO e TRANSCRITICO

Refrigeranti, temperatura critica del refrigerante e pressioni di lavoro

PREMESSA

Quando si progetta e si definisce un impianto di condizionamento o di refrigerazione si deve scegliere anche il refrigerante adeguato; il quale è, poi, direttamente legato all’efficienza energetica della macchina frigorifera stessa. 
La selezione del refrigerante è il fattore determinante dell’efficienza delle apparecchiature di condizionamento e di refrigerazione. Una scelta saggia può far risparmiare un sacco di soldi.

Per fare una scelta saggia è necessario individuare, innanzitutto, la temperatura critica, o punto critico del refrigerante (figura 1).

Punto critico del refrigerante

Qual è la temperatura critica di un refrigerante?

I cicli di refrigerazione convenzionali possono funzionare in modo efficiente solo utilizzando fluidi raffreddanti (aria o acqua) ben al di sotto della temperatura critica del refrigerante. 
Il refrigerante R134a ha una temperatura critica di 101,1°C. Mentre R410 e R32 hanno una temperatura critica di soli 70°C e 78°C. Pertanto l’R410a e l’R32 non funzioneranno in modo efficiente in climi molto caldi, come in Medio Oriente, perché le temperature dell’aria di raffreddamento, in quei luoghi, salgono a oltre 50°C all’ombra in estate e fino a 70°C su un tetto sotto il sole diretto.

La temperatura critica di un refrigerante è la temperatura al di sopra della quale un gas refrigerante (vapore) non può essere liquefatto, indipendentemente dalla pressione. 
Questo processo avviene normalmente nel condensatore: il compressore frigorifero pompa il gas caldo (vapore) nella batteria del condensatore. L’aria che attraversa la batteria del condensatore sottrae calore al gas caldo (vapore) che cambia stato in liquido. Il refrigerante percorre il sistema di refrigerazione chiuso come liquido per continuare il ciclo.

Per ogni sostanza esiste una temperatura critica, al di sopra della quale è impossibile farla condensare per mezzo di una compressione.

REFRIGERANTE TEMP. CRITICA C°
R1234yf 94,7
R1234ze 109,4
R134a 101,1
R32 78,4
R410A 70,2
R452A 74,9
R407C 86,0
R744 31,1

 

Refrigerazione transcritica

Si è lavorato molto, negli ultimi decenni, sull’utilizzo dell’anidride carbonica (R744 / CO2) come refrigerante. Essa è poco costosa, non infiammabile, non tossica, compatibile con la maggior parte dei materiali, relativamente amica dell’ambiente rispetto ai refrigeranti fluorurati e ha il potenziale per essere abbastanza efficiente.
Tuttavia, c’è un grande ostacolo all’uso della CO2 come refrigerante: il suo punto critico.
Il punto critico è la pressione o la temperatura più elevata in cui il refrigerante può ancora condensare. In corrispondenza e al di sopra del punto critico non c’è distinzione tra gas e liquido, quindi non può aver luogo condensazione o evaporazione. La parte superiore della gobba in un diagramma di entalpia del refrigerante (figura 1) è il punto critico.
Un normale sistema di refrigerazione è un sistema subcritico perché tutti i componenti del sistema funzionano a pressioni e temperature inferiori al punto critico. Il problema è che la temperatura critica per la CO2 è di circa 31°C.
La temperatura di saturazione del condensatore per la maggior parte dei sistemi di refrigerazione è superiore a 31°C, in particolare per i sistemi raffreddati ad aria che devono utilizzare aria esterna calda (in estate) per raffreddare il condensatore. Ciò impedisce l’uso della CO2  in un sistema di refrigerazione “normale” che utilizza un evaporatore per assorbire il calore e un condensatore per respingerlo.

Bombole-di-refrigerante CO2
Nell’applicazione di CO2il sistema è chiamatosistema transcriticoperché parte del refrigerante opera al di sopra del punto critico e parte opera al di sotto del punto critico.Subcritico, supercritico e transcriticodescrivono 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 gassenza alcun cambiamento di stato. Tutto il trasferimento di calore avviene tramite la variazione della temperatura del gas (effetto sensibile).
Un sistema 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.
Ciclo subcritico e ciclico transcritico

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 (figura 2):

  • Il compressore comprimerà il vapore refrigerante alla pressione del condensatore.
  • All’aumentare della pressione, la temperatura del refrigerante aumenterà (tratto 4-1).
  • Ora, se la temperatura critica del refrigerante è bassa, la temperatura del fluido fraffreddante (aria o acqua) potrebbe superare la temperatura critica (tratto 4-1’).
  • Se ciò accade, il refrigerante non si liquefa nel condensatore (tratto1’-2’).
  • Quindi il refrigerante rimarrà allo stato di vapore e si espanderà come vapore.
  • Rimarrà vapore dopo l’espansione e quindi entrerà nell’evaporatore (tratto 2’-3’).
  • Poiché il refrigerante è già in fase vapore, non assorbirà calore dall’evaporatore e l’effetto di raffreddamento sarà molto basso (tratto 3’-4).
  • 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 (effetto latente tratto 1-2).

 

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) sta ottenendo l’accettazione come refrigerante. È naturale, non ha alcun effetto di riduzione dell’ozono, è economico, 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.

La CO2 nei sistemi più grandi, viene spesso utilizzata come refrigerante secondario (“salamoia volatile”), raffreddata da un refrigerante primario, ad esempio l’ammoniaca R-717. Il vantaggio è che la carica di ammoniaca può essere molto piccola e senza compressori sul lato CO2 c’è un solo sistema a carico parziale, risparmiando energia.

La CO2 ha eccellenti qualità di trasferimento del calore e le dimensioni della linea di aspirazione possono essere inferiori alla metà del diametro del circuito ad ammoniaca. Con un sistema progettato correttamente, non è necessario alcun compressore di CO2 per produrre gas caldo per lo sbrinamento, consentendo un sistema CO2 oil free.

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Sostenibilità e ambiente giocano un ruolo importante per noi. Ecco perché negli ultimi anni abbiamo spinto lo sviluppo dei nostri compressori di CO2efficienti e affidabili. Con i compressori BOCK, funzionalità, efficienza economica e clima vanno di pari passo. Abbiamo preso questo a cuore.

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Icompressori Bock CO2supportano l’adempimento di importanti requisiti energetici e di protezione ambientale, come il regolamento europeo sui gas fluorurati o l’accordo mondiale di Kigali, e soddisfano i severi requisiti degli standard europei e delle linee guida ASERCOM.

Anche per piccole capacità, Bock si affida alla collaudata pompa dell’olio per un’alimentazione affidabile dell’olio nel compressore, anche in condizioni difficili. La base per questo è un design dell’ingranaggio di trasmissione ottimizzato per le emissioni di CO2combinato con la collaudata tecnologia dei compressori BOCK.

LA SOSTENIBILITÀ È IMPORTANTE PER NOI: BOCK USA, COME REFRIGERANTE, R744 / CO2

L’anidride carbonica (R744) è un refrigerante naturale, ecologico, poco costoso rispetto ai refrigeranti fluorurati. È incolore, non infiammabile e non tossico.

L’R744 ha un valore GWP pari a 1 ed è escluso dal cosiddetto “Phase-Down” (regolamento F-Gas).

Da un peso superiore a 5 tonnellate equivalenti di CO2, la prova di tenuta di un impianto di refrigerazione è obbligatoria. Pertanto, il test di tenuta non è richiesto per i sistemi di refrigerazione con R744 al di sotto di una carica di 5 tonnellate. Se L’R744 viene rilasciato nell’ambiente durante i lavori di manutenzione, non è necessario un costoso recupero del gas refrigerante.

Fattori impegnativi sono l’elevata pressione di esercizio del refrigerante, il punto critico basso, la formazione di ghiaccio secco quando la temperatura scende al di sotto del punto triplo e le pressioni di fermo molto elevate. I requisiti e la scelta dei componenti del sistema di refrigerazione devono essere considerati di conseguenza.

È bello avere un esperto a portata di mano. Sentiti libero di chiedere ai tecnici di GERECO, esperti nel campo della CO2.

R744
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