Anidride Carbonica come fluido frigorigeno

Il 1988 è l’anno in cui la rivista TIME non celebra “L’Uomo dell’Anno” sulla sua copertina ma propone “Il Pianeta dell’anno”: la Terra minacciata dal buco dell’ozono e dall’inquinamento. Un po’ romanticamente si può pensare che proprio in quel periodo un professore norvegese Gustav Lorentzen abbia reinventato l’utilizzo dell’anidride carbonica come fluido frigorigeno. Largamente utilizzata nei tempi passati come fluido nelle macchine per la refrigerazione, specie per quelle utilizzate in applicazioni marine, la CO2, o nella sua designazione internazionale R744, è stata completamente abbandonata nel secondo dopoguerra a causa dell’avvento sul mercato dei cloro-fluoro-carburi (CFC), refrigeranti sintetici alogenati.

 Copertina della rivista TIME, 1988. www.time.com

Nel 1994, la rivista scientifica “International Journal of Refrigeration” pubblica un lavoro dello stesso prof. Lorentzen dal titolo: “Revival of carbon dioxide as a refrigerant”; si può tradurre revival come ritorno, ma anche come rinascita. Da quel momento e fino ad oggi la ricerca e l’innovazione scientifica e industriale hanno portato alla realizzazione di macchine frigorifere. Queste macchine, che utilizzano come fluido operativo R744, sono applicabili in svariati campi della refrigerazione e del condizionamento dell’aria, dal settore automobilistico alla refrigerazione commerciale.

Dal punto di vista chimico fisico l’anidride carbonica è incolore, inodore e più pesante dell’aria. Presa a riferimento per confrontare l’impatto diretto dei refrigeranti sul riscaldamento globale (Global Warming), la CO2 presenta un potenziale di riscaldamento globale GWP pari a 1 (GWP, acronimo di Global Warming Potential). La classificazione internazionale assegna a questo fluido la categoria di sicurezza A1, indicando cioè che possiede una bassa tossicità (in concentrazioni non troppo elevate) e non è infiammabile. Sebbene abbia una lunga vita atmosferica, l’anidride carbonica non dà origine a nessun sottoprodotto che danneggi seriamente l’ambiente. Inoltre è largamente disponibile e presenta un basso costo se si ricorre al fluido ottenuto da scarti industriali.

Nella seguente figura si riporta il diagramma di stato (p, h) per l’anidride carbonica: questo refrigerante presenta una bassa temperatura critica (Tc= 31.06 °C) e una pressione critica pc= 73.84 bar. Considerando un ciclo a compressione di vapore idealizzato tra +30°C / -20 °C, caratterizzato da cambiamenti di fase isobari e compressione isoentropica, è possibile confrontare l’anidride carbonica con due altri refrigeranti sintetici: R410A e R134a.

La pressione di condensazione alla quale si troverebbe a lavorare il condensatore operante con CO2 è superiore ai 70 bar mentre è inferiore ai 20 bar nel caso del R410A e agli 8 bar per R134a.

In generale, i cicli frigoriferi operanti a CO2, rispetto a quelli che operano con fluidi frigorigeni tradizionali, presentano un livello di pressione molto più elevato a parità di temperatura delle sorgenti esterne tra le quali opera la macchina. Questa caratteristica comporta che tutti i componenti, dal compressore alle tubazioni, devono essere dimensionati per poter resistere a tali pressioni che, talvolta, possono essere superiori ai 100 bar.

Diagramma di stato dell’anidride carbonica.

La bassa temperatura critica comporta anche bassi coefficienti di effetto utile (COP) come si può vedere dai dati riportati in tabella. Inoltre, la temperatura estiva dei paesi a clima temperato è molto prossima, se non addirittura superiore, alla temperatura critica della CO2; è quindi impossibile rigettare il calore all’ambiente esterno attraverso la condensazione del fluido, si dovrà piuttosto effettuare il raffreddamento progressivo dell’anidride carbonica in fase gassosa ad una pressione superiore a quella critica.

Il condensatore sarà dunque sostituito da un refrigeratore di gas denso detto refrigeratore di alta pressione, o nella denominazione anglosassone gas-cooler; la trasformazione conseguente è la 2-3 o 2’-3’ della successiva figura.

Il ciclo frigorifero riportato in figura 2 è di particolare interesse applicativo perché viene normalmente impiegato nelle pompe di calore per la produzione di acqua calda sanitaria. Il processo di raffreddamento del gas in condizioni transcritiche impone particolare attenzione al dimensionamento dello scambiatore di calore (gas-cooler), perché nella zona vicina alle condizioni critiche le proprietà termofisiche dell’anidride carbonica variano notevolmente e in maniera repentina.

Considerando i dati elencati in tabella si può sottolineare come l’elevato effetto frigorifero permetta di ottenere dimensioni ridotte per i componenti che costituiscono l’impianto rispetto ad analoghe macchine operanti con fluidi tradizionali. La bassa portata volumetrica legata all’elevata densità del vapore in aspirazione e al notevole calore latente di vaporizzazione consente di dimensionare tubazioni con sezioni minori rispetto ai refrigeranti sintetici.

In conclusione, le possibilità di applicazione dell’anidride carbonica dipendono essenzialmente dallo sviluppo tecnologico di sistemi in grado di utilizzarla con consumi di energia bassi, specie nel caso di funzionamento transcritico. Sebbene CO2 presenti un effetto serra diretto nullo, la bassa efficienza può aumentare a tal punto l’effetto serra indiretto legato ai consumi, da farle perdere tutto il vantaggio del fluido naturale.

Bibliografia

• A. Cavallini, D. Del Col, L. Doretti, C. Zilio, I fluidi frigorigeni processi di sostituzione e nuove frontiere tecnologiche, 2007, n. 26, Progetto Novimpresa, AREA Science Park, Trieste, Italia.
• SHECCO, Guide 2012: Natural Refrigerants Market Growth for Europe, 2012, Shecco Publications

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