GLI IDROCARBURI (HC) – Dalla refrigerazione domestica a quella commerciale: un mercato in pieno sviluppo

Solo per dare un’idea, nel mondo più di 600 milioni di frigoriferi domestici operano utilizzando idrocarburi – circa il 36% del mercato globale dei nuovi frigoriferi e freezers – con una stima di crescita fino al 75% entro il 2020. (TEAP2010) Il refrigerante R600a (isobutano) è largamente utilizzato nei frigoriferi e nei freezers in Europa, Giappone, Cina, così come in Sud America, Canada e Messico e potrà essere impiegato anche negli Stati Uniti, ora che ne è stato regolamentato l’utilizzo.

Un altro mercato in crescita per gli idrocarburi è rappresentato dai condizionatori portatili a propano (R290) che sono presenti nel panorama Europeo fin dal 1985. In questi sistemi la carica di refrigerante è circa 0.1 kg/kW.

Alcune compagnie australiane stanno producendo una gamma di condizionatori d’aria a idrocarburi per applicazioni civili. Il 2011 ha visto il lancio del primo condizionatore d’aria a propano per ambienti domestici, che è stato prodotto da una ditta cinese per essere esportato – è un passo importante, dato che il 90% dei condizionatori di piccola taglia del mercato mondiale è prodotto in Cina. Tutti i modelli rispettano le norme di sicurezza Europee, sono conformi allo standard internazionale di sicurezza IEC 60335-2-40 e sono certificati da una delle più autorevoli associazioni tecnico-scientifiche Europee, la Associazione Tedesca per le Tecnologie Elettriche, Elettroniche & dell’Informazione (VDE). Inoltre, il prodotto finale è stato certificato dall’ente indipendente riconosciuto globalmente TUV. Qualcosa di veramente interessante è che in Cina 18 delle 32 linee produttive di condizionatori d’aria saranno convertite a R290 come parte del programma per il phase-out degli HCFC (HPMP) del Paese. Per la prima volta sono in fase di sviluppo in India progetti per la costruzione di linee produttive di sistemi per A/C ad
idrocarburi. Nel complesso, ci si aspetta che vi sia una crescita dell’utilizzo di soluzioni compatte a bassa carica di HC (meno di 1 kg), utilizzo che, attualmente, si attesta ad una quota di mercato al di sotto dell’1%.

C’è di più: ora gli idrocarburi sono usati per garantire il comfort in riscaldamento e raffrescamento di edifici pubblici mediante chillers, che permettono di contenere i costi di capitale rispetto agli impianti ad ammoniaca dato che si possono evitare i componenti in acciaio inossidabile.

Questi impianti ad HC hanno una comprovata sicurezza per l’impiego in zone popolate, in ospedali e anche in edifici storici. Importanti applicazioni in UK includono un chiller raffreddato ad aria da 600 kW operante a R290 (propano) installato nella “Church House” dell’Abbazia di Westminster di Londra, mentre il Ministero dei Trasporti inglesi ha fatto collocare 3 macchine a idrocarburi sul tetto della “Great Minster House” nel centro di Londra. L’ospedale universitario di Arhus, Skejby, Danimarca, ha installato delle pompe di calore a R600a e dei chillers a R290 per il riscaldamento e il raffrescamento e per la produzione di acqua calda sanitaria. Gli HC possono essere utilizzati anche nelle pompe di calore geotermiche (GSHP), come è stato fatto nella scuola d’infanzia inglese di Buntingsdale, dove una pompa di calore a R920 utilizza il terreno come sorgente termica.

Inoltre, quello che alle volte si dimentica, è che gli idrocarburi sono le molecole di partenza per la produzione dei refrigeranti sintetici, i quali sono ottenuti mediante la sostituzione degli atomi di idrogeno con degli alogeni. Le molecole base di alcuni idrocarburi sono riportate in figura.

Molecole di alcuni idrocarburi

In generale i principali idrocarburi attualmente in commercio sono: R290 (Propano), R600a (Isobutano), R1270 (Propilene), R170 (Etano) e delle miscele di R290/R600a. Questi fluidi sono degli interessanti refrigeranti che non arrecano danno all’ozono e presentano un bassissimo, quasi trascurabile, effetto serra;
come tutti i refrigeranti naturali, anidride carbonica e ammoniaca, gli idrocarburi non formano sottoprodotti in atmosfera. Questi refrigeranti possono essere utilizzati sia in nuovi impianti specificatamente dimensionati per il loro impiego, sia caricati in impianti sviluppati per refrigeranti alogenati. Questa caratteristica li rende competitivi anche nei paesi in via di sviluppo.

Gli idrocarburi sono infiammabili, la loro classe di sicurezza è A3, tal codice significa: poco tossici ma altamente infiammabili. Quasi tutti i refrigeranti sintetici non sono nè tossici nè infiammabili, classificati A1. Per queste ragioni, gli idrocarburi sono spesso soggetti a stringenti norme di sicurezza riguardo alla quantità impiegabile in ambienti occupati. La seguente tabella riassume le principali caratteristiche per i quattro refrigeranti elencati in precedenza.

La seguente figura mostra due diagrammi p-h: uno relativo al propano (R290, alto) e l’altro per l’isobutano (R600a, basso); a prima vista, appare chiaramente che la curva del R600a è molto più inclinata rispetto a quella del R290. Questa caratteristica fa sì che l’ R600a sia particolarmente indicato per le applicazioni di
refrigerazione domestica dove si utilizzano i compressori ermetici, i quali traggono beneficio dal fatto che la temperatura di fine compressione sia molto vicina a quella di saturazione alla pressione di scarico. Inoltre, l’isobutano R600a mostra interessanti attitudini di raffreddamento rendendolo una della migliori scelte nel caso di compressori ermetici, dove il raffreddamento del motore elettrico è garantito dal gas freddo in aspirazione.

Diagrammi p-h per R290 e R600a

Negli impianti frigoriferi, le caratteristiche di scambio termico nei processi di cambiamento di fase di un refrigerante sono di gran lunga le più importanti; queste sono legate a tre fondamentali proprietà termofisiche: la conduttività del liquido e del vapore, il calore specifico a pressione costante e la viscosità dinamica.

Queste proprietà fanno sì che gli idrocarburi possano essere considerati dei buoni refrigeranti; in particolare, prendendo a riferimento l’ R22, nel campo di temperature fra -50°C e 50°C, l’ R290 e l’R600a presentano valori più elevati delle conduttività termiche del liquido e del vapore, e del calore specifico a pressione costante. Inoltre, nello stesso campo di temperature, gli idrocarburi mostrano valori minori delle viscosità del liquido e del vapore.

All’uscita di ogni evaporatore ad espansione secca, il gas deve essere surriscaldato per evitare la presenza o la possibile formazione di liquido nelle linee di aspirazione. Il processo di surriscaldamento può migliorare o peggiorare l’efficienza del sistema; questo comportamento dipende dalle proprietà termofisiche del
refrigerante. Al crescere del surriscaldamento sia l’effetto frigorifero sia il lavoro di compressione aumentano, questo significa che solamente nel caso in cui l’incremento dell’effetto frigorifero sia maggiore dell’addizionale lavoro di compressione richiesto, il surriscaldamento può essere considerato utile.

Il surriscaldamento può essere ottenuto anche attraverso uno scambiatore liquido-rigenerativo dove il liquido all’uscita del condensatore viene sottoraffreddato dal gas in uscita dall’evaporatore. I cicli frigoriferi operanti con HC possono essere ottimizzati utilizzando questi scambiatori rigenerativi; al crescere del sottoraffreddamento e del surriscaldamento l’efficienza del ciclo cresce.

In generale, gli idrocarburi sono compatibili con quasi tutti i lubrificanti comunemente impiegati nella refrigerazione e nel condizionamento dell’aria, fatta eccezione per quelli che contengono silicone e silicati (additivi che sono utilizzati come anti-schiumanti).

Infine, considerando il mercato mondiale, negli ultimi 3 anni la regione che comprende Pacifico e Asia ha guidato la crescita nelle vendite degli idrocarburi. Nelle Americhe le vendite riguardano soprattutto le applicazioni domestiche per quanto riguarda il Sud-America, mentre ci si aspetta un netto incremento nel
Nord-America, ora che l’EPA ha autorizzato il loro uso.

Nel periodo tra il 2008-2010, i ricavi di questo settore sono aumentati del 35% e i volumi del 100%, un mercato in pieno sviluppo.

Bibliografia

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

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