Ciclo SUBCRITICO e TRANSCRITICO

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).

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.

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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