AMMONIACA NH3: naturale ed efficiente ma tossica

L’ammoniaca NH3, oppure secondo la denominazione internazionale R717, può essere considerata l’unico fluido naturale che è stato costantemente utilizzato nell’industria della refrigerazione fin dalla sua prima applicazione.

Tradizionalmente, dati i costi contenuti e l’eccellente efficienza di funzionamento, la refrigerazione ad ammoniaca trova il suo impiego nella catena del freddo nell’industria legata alla conservazione delle derrate alimentari.

Nei paesi sviluppati più dell’80% degli impianti di refrigerazione industriali e dei magazzini frigoriferi utilizzano l’ammoniaca, assieme all’anidride carbonica e agli idrocarburi, come fluidi frigorigeni. Nei paesi in via di sviluppo, il mercato dell’ammoniaca è relativamente minore, attorno al 40%.

Nell’industria alimentare, l’ammoniaca può essere impiegata negli impianti di lavorazione della carne, del pollame e del pesce, nelle aziende dolciarie, negli impianti dedicati alla produzione di latte fresco, di vini e di birre. I tipi di sistemi impiegati in queste industrie includono: congelatori (freezers) a spirale, a piastre e a tunnel. L’ammoniaca è utilizzata anche nelle macchine per il gelato. Oggigiorno, inoltre, c’è un crescente sviluppo di impianti ad ammoniaca per il condizionamento dell’aria in edifici pubblici; infatti, i grandi chillers ad ammoniaca sono oramai utilizzati senza rischi per la salute in applicazioni di riscaldamento e raffreddamento in aree densamente popolate, fornendo ad alta efficienza e riducendo i consumi di energia.

Tra le applicazioni a livello mondiale, per esempio, si può ricordare in questa sede: il Terminal 5 dell’aeroporto internazionale londinese di Heathrow, nel quale viene usato un impianto ad ammoniaca per garantire il comfort in riscaldamento e raffrescamento dei passeggeri e dei lavoratori; il centro dell’energia per le Olimpiadi di Londra 2012, che include del chillers ad ammoniaca nel suo sistema a basso impatto ambientale che ha provveduto alle necessità di tutto il villaggio olimpico; inoltre, l’Acquatic Center, che fa un uso separato di chillers ad ammoniaca. Infine, dall’altra parte del mondo, in Nuova Zelanda, l’aeroporto di Christchurch impiega chillers per raffreddare il terminal dedicato al trasporto merci, permettendo anche la temporanea conservazione delle stesse.

Venendo alle proprietà fisiche dell’ammoniaca, essa, alla pressione atmosferica, è un gas incolore che non contribuisce nè al buco dell’ozono nè al riscaldamento globlale. Presenta una breve vita atmosferica, durante la quale non dà origine alla formazione di sottoprodotti con effetti negativi sull’ambiente. La seguente tabella riassume le più importanti proprietà dell’ammoniaca e di altri refrigeranti naturali.

In accordo con la categoria di rischio, l’ammoniaca è considerata tossica e infiammabile (B2) mentre l’anidride carbonica, così come la maggior parte dei refrigeranti sintetici, non è tossica nè infiammabile (A1). Ovviamente, gli idrocarburi sono più infiammabili dell’ammoniaca (A3).

Nonostante i suoi indiscussi vantaggi in termini di efficienza energetica, in certe applicazioni e regioni geografiche, l’uso dell’ammoniaca è limitato, a causa della sua elevata tossicità e del basso limite di infiammabilità.

Questo comporta che l’uso dell’ammoniaca è effettivamente proibito all’interno di spazi occupati, mentre è consentito in aree non occupate o all’esterno. Comunque, negli ultimi anni, sono stati compiuti moti passi in avanti per minimizzare il rischio per le vite umane, in particolare per le applicazioni in zone densamente popolate.

Infatti, sono state adottate delle soluzioni tecnologiche, come i sistemi indiretti, che utilizzano l’ammoniaca associata ad altri refrigeranti: in questo modo si può ridurre e isolare la carica di ammoniaca. Altre soluzioni, poi, prevedono la predisposizione di involucri di contenimento o sofisticati sistemi di sicurezza, o, in alternativa, l’utilizzo di sistemi di assorbimento dell’ammoniaca.

E’ importante notare che l’ammoniaca ha un forte odore che rende semplice la rilevazione di eventuali fughe. Ovviamente, i necessari aggiuntivi di sicurezza accrescono i costi, d’altra parte, i produttori rivendicano il fatto che il risparmio energetico e di manutenzione dei sistemi ad ammoniaca possono potenzialmente superare i maggiori costi iniziali.

Considerando la compatibilità dell’ammoniaca con i componenti che costituiscono la macchina frigorifera, è fondamentale evidenziare come l’uso del rame debba essere completamente evitato nelle parti bagnate dall’ammoniaca perchè essa è altamente corrosiva nei confronti di questo materiale. Pertanto, i compressori ermetici e semi-ermetici non possono venire impiegati; solamente i compressori aperti possono essere utilizzati in quanto non prevedono il raffreddamento diretto, da parte del gas freddo, degli avvolgimenti del motore elettrico. Il rame deve essere evitato nelle tubazioni di collegamento, così come negli scambiatori di calore. Negli ultimi anni, differenti soluzioni sono state sviluppate per affrontare questo problema: oggigiorno, sono disponibili scambiatori a piastre in acciaio inossidabile espressamente sviluppati per ammoniaca o scambiatori a microcanali in alluminio.
Considerando i lubrificanti, l’ammoniaca non è adatta ad essere impiegata con i POE (Polyol-Ester) e con i PVE (Poly-Vinyl-Ether) e può essere utilizzata solo in limitate applicazioni con i PAG (Poly-Akylene-Glycol).

Diagramma p-h per l’ammoniaca

I vantaggi e gli svantaggi termodinamici dell’ammoniaca possono essere riassunti nella seguente tabella, la quale elenca le più importanti caratteristiche per un ciclo ideale a compressione di vapore tra +30°C e -30°C che prevede condensazione ed evaporazione isobare e compressione isoentropica.
Si è scelto come fluido di riferimento l’R22, il refrigerante sintetico tradizionale che presenta una curva pressione-temperatura di saturazione molto simile a quella dell’ammoniaca. Inoltre, l’R22 può essere considerato un riferimento nei riguardi dell’efficienza energetica. Dall’analisi del diagramma p-h e dei valori riportati in tabella, possiamo affermare che l’ammoniaca presenta un incredibilmente elevato calore latente di vaporizzazione che implica che la portata di massa necessaria per garantire una determinata potenza frigorifera sia minore rispetto a quella che è necessaria con un refrigerante tradizionale (circa il 15% in meno rispetto all’ R22).

L’efficienza dell’ammoniaca è molto elevata, quindi il suo Total Equivalent Warming Impact (TEWI), che misura gli effetti diretti e indiretti del refrigerante sull’ambiente, è molto basso se confrontato con quello dei refrigeranti sintetici tradizionali.

La caratteristica peculiare dell’ammoniaca è l’elevata temperatura che si relizza alla fine del processo di compressione: nel caso del ciclo ideale riassunto in tabella, questa è maggiore di 130°C, più di 70°C superiore rispetto a quella calcolata per l’R22. Durante il funzionamento reale, la temperatura è ancora maggiore perchè la compressione non si può ritenere isoentropica come si è fatto per il caso ideale. Questa caratteristica implica degli aspetti critici legati alla resistenza del compressore agli stress termici a cui è sottoposto; in molti casi, la testata del compressore è raffreddata da una camicia d’acqua e il processo di compressione è suddiviso in due stadi separati. Alla fine del primo stadio, il gas compresso ad una pressione intermedia è raffreddato in un intercooler o mediante l’iniezione diretta di liquido freddo dal condensatore.

Attualmente, tra i fluidi naturali, l’ammoniaca è quella che presenta il mercato più consolidato con le maggiori vendite in termini di volumi e ricavi, ma, d’altra parte, gli aspetti critici legati alla sua tossicità, infiammabilità e alla compatibilità con i materiali e i lubrificanti stanno limitando la sua applicazione alla refrigerazione e climatizzazione dell’aria di piccola potenza, confinando il suo utilizzo solamente ai grandi impianti.

Bibliografia

SHECCO, Guide 2012: Natural Refrigerantis Market Growth for Europe, 2012, Shecco Publications

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