Pompe di calore ad anidride carbonica: dal condensatore al gas cooler
Si è già sottolineato (newsletter n. 1 – Ottobre 2012 “Anidride Carbonica come fluido frigorigeno”) come l’anidride carbonica presenti delle interessanti proprietà termofisiche che, unite alla sua intrinseca compatibilità ambientale, fanno sì che venga considerata un buon refrigerante naturale. Le sue possibili applicazioni riguardano soprattutto le basse temperature, dove ha trovato già largo impiego negli anni passati; non si deve però dimenticare il condizionamento dell’aria nel settore automobilistico che, alla luce delle recenti dichiarazioni di un noto colosso dell’auto sui test relativi al R1234yf, risulta essere un’area alla quale verranno dedicate molte risorse nel prossimo futuro.
Altre attuali applicazioni della CO2 riguardano le pompe di calore per la produzione di acqua calda sanitaria, per il riscaldamento a pannelli radianti o mediante ventilconvettori a bassa temperatura; per comprendere i motivi per i quali l’anidride carbonica è un ottimo fluido operativo per queste macchine si devono considerare le sue proprietà termofisiche e come queste variano con la pressione e la temperatura.
In una precedente newsletters (newsletter n. 6 – Febbraio 2013 “Cosa accade alle proprietà di un fluido nelle vicinanze dello stato critico: il caso della CO2”) si è avuto modo di evidenziare come per l’anidride carbonica, il punto critico sia caratterizzato da una temperatura di 30.978 °C e da una pressione di 73.773 bar. Questo fatto ha degli importantissimi effetti sulle caratteristiche termodinamiche e tecnologiche dei cicli che possono essere impiegati per produrre freddo o caldo.
Nella comune tecnica frigorifera, un ciclo inverso a compressione di vapore è composto da quattro fondamentali componenti: un compressore, un condensatore, un organo di laminazione e un evaporatore. Se si vuole però impiegare l’anidride carbonica come fluido operativo si deve considerare il fatto che, a 40 °C – 50 °C, usuali temperature di condensazione nei cicli frigoriferi, essa è gassosa e quindi non è possibile utilizzare un condensatore come scambiatore di calore in alta pressione.
Il condensatore sarà sostituito da un raffreddatore di gas caldi, nella terminologia anglosassone gas-cooler, dove l’anidride carbonica cederà calore al fluido secondario senza cambiamento di fase. La Figura 1 riporta un tipico ciclo transcritico sul piano T-h.
Figura 1: Ciclo transcritico per anidride carbonica sul piano T-h. (Fronk e Garimella, 2011)
Dal diagramma si nota come il processo di raffreddamento dell’anidride carbonica presenta un’altra caratteristica che non si può trascurare durante il dimensionamento del gas-cooler: il fluido durante il processo di scambio termico si avvicina al punto critico e le sue proprietà subiscono delle notevoli e repentine variazioni. Come evidenziato nella newsletter n. 6, se non si considerano queste variazioni si può incorrere in errori grossolani e di difficile quantificazione.
La Figura 2 mostra come è possibile riscaldare dell’acqua per usi sanitari mediante un processo transcritico con anidride carbonica o con la condensazione di R134a. Considerando una temperatura di uscita dell’acqua di 70 °C, è possibile che il ciclo tradizionale a compressione di vapore presenti una zona critica caratterizzata da basse differenze di temperatura (in inglese, pinch point).
Per garantire la temperatura desiderata, il sistema tenderà ad aumentare la pressione di condensazione, a questo, sfortunatamente, corrisponderà una diminuzione del calore latente disponibile e un aumento del rapporto di compressione, fattori che avranno un effetto negativo sull’efficienza del sistema.
Figure 2: Confronto fra il processo di gas cooling (CO2) e quello di condensazione (R134a) per la produzione di acqua calda sanitaria.
Il profilo di temperatura durante il raffreddamento della CO2 si accoppia in maniera ottimale con quello dell’acqua in riscaldamento, evidenziando ancora una volta le interessanti caratteristiche dei cicli transcritici per la produzione di acqua calda sanitaria.
Questi scambiatori di calore a CO2, si trovano ad operare ad elevate temperature e pressioni, e con una grande variazione di temperatura; per questi motivi, particolare attenzione dovrà essere dedicata al loro dimensionamento. Per massimizzare il coefficiente di effetto utile della macchina si deve dimensionare lo scambiatore in modo che sia minimizzata la differenza di temperatura fra l’anidride carbonica all’uscita e il fluido secondario all’ingresso.
Le variazioni delle proprietà termofisiche nell’intorno del punto critico non hanno solamente degli effetti sulla stima del calore scambiato dall’anidride carbonica durante lo scambio termico monofase, ma influenzano drasticamente anche il coefficiente di scambio.
Come si può vedere in Figura 3, ad ogni pressione superiore a quella critica, il coefficiente di scambio termico presenta un picco in corrispondenza della temperatura pseudocritica; questo picco è tanto maggiore quanto la pressione è vicina a quella critica.
Il modello utilizzato per il calcolo del coefficiente di scambio è quello proposto da Dang e Hihara (2004), questa correlazione ricostruisce accuratamente il reale comportamento dell’anidride carbonica durante il processo di gascooling.
Figure 3: Coefficiente di scambio termico durante il processo di gas-cooling al variare della pressione operativa.
Il processo di raffreddamento dei gas inizia a valle del compressore, si considerino per semplicità due pressioni 80 bar e 100 bar che implicano delle temperature di fine compressione, rispettivamente, di circa 80-85 °C e 120-125 °C. Seguendo il processo di raffreddamento del gas si può vedere come il coefficiente di scambio termico cresca fino a raggiungere un massimo e poi decresca: a 80 bar, il coefficiente inizialmente vale circa 2000 W m-2 K-1, poi cresce fino
a raggiungere 13500 W m-2 K-1; a 100 bar, l’incremento è più contenuto ma il coefficiente di scambio massimo è circa 3 volte maggiore rispetto a quello presente all’ingresso dello scambiatore.
La variazione così marcata del coefficiente di scambio implica che non è possibile dimensionare il gas-cooler globalmente, mediante, per esempio, la teoria della differenza media logaritmica di temperatura, perché questo porterebbe a delle stime errate del flusso termico scambiato nello scambiatore.
Un approccio più dettagliato è sicuramente consigliabile e necessario, perché permette di controllare l’effettivo calore scambiato in ogni settore del gas-cooler.
Figura 4: Esempio di gas-cooler tradizionale (sinistra) ed esempio di gas-cooler a microcanali (destra).
In Figura 4 (foto a sinistra) è riportata una tradizionale batteria alettata nella quale sono previste due zone separate: una dedicata al raffreddamento del gas tra il primo e il secondo stadio di compressione, mentre la seconda al gascooler. Oggigiorno, l’ottimizzazione dei gas-coolers avviene mediante l’applicazione della tecnologia degli scambiatori con tubi a microcanali in alluminio, che consentono anche un notevole incremento delle prestazioni lato aria. Uno schema di questo tipo di scambiatore è riportato nella stessa Figura 4 (foto a destra). Nelle pompe di calore per acqua calda sanitaria non mancano gli scambiatori a piastre oltre ai tradizionali scambiatori tubo-in-tubo. Recentemente sono stati proposti dei prototipi di gas-coolers compatti e innovativi, come l’esempio riportato in Figura 5, sviluppato da Fronk e Garimella (2011) nel quale le tecnologie degli scambiatori a piastre e a microcanali vengono a fondersi in un unico scambiatore.
Figura 5: Scambiatore a piastre a microcanali (Fronk e Garimella, 2011).
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.
C. Dang, E. Hihara, In-tube cooling heat transfer of supercritical carbon dioxide. Part 1. Experimental measurement, International Journal of Refrigeration, 27(7) (2004) 736–747
B. M. Fronk, S. Garimella, Water-coupled carbon dioxide microchannel gas cooler for heat pump water heaters: Part I – Experiments, International Journal of Refrigeration 34 (2011) 7-16.
Argomenti correlati
Anidride Carbonica come fluido frigorigeno
Cosa accade alle proprietà di un fluido nelle vicinanze dello stato critico: il caso della CO2
Il ciclo transcritico nelle applicazioni del freddo: la pressione ottimale
