Nuova generazione di lubrificanti con nanoparticelle per macchine frigorifere

Il Coefficiente di effetto utile (COP) di una macchina frigorifera è definito come il rapporto fra l’effetto frigorifero e il lavoro di compressione:

La precedente equazione implica che il COP possa essere migliorato sia se l’effetto frigorifero aumenta, o se il lavoro di compressione diminuisce, sia se entrambe queste situazioni si realizzano contemporaneamente. Negli ultimi decenni, molte tecniche per migliorare l’effetto frigorifero sono state sviluppate e proposte. Inoltre molti sforzi nella ricerca sono stati dedicati al dimensionamento di compressori sempre più efficienti.

L’applicazione di nanofluidi nelle macchine frigorifere è considerata una potenziale possibilità per migliorare l’efficienza energetica e l’affidabilità degli impianti HVAC&R e per rendere economico l’uso dei refrigeranti a basso impatto ambientale.

Recentemente, alcuni ricercatori hanno proposto di introdurre una nuova generazione di nano-oli formati mescolando nanoparticelle (NiFe2O4, TiO2, Al2O3) con olii minerali. A titolo di esempio, Bi et al. (2008) proposero di sostituire il lubrificante POE con una miscela di nanoparticelle di TiO2 e olio minerale in un refrigeratore funzionante a R134a. Gli autori analizzarono la compatibilità dei materiali non metallici del sistema con la miscela R134a/nano-lubrificante. Inoltre, la prestazione del refrigeratore che utilizzava il nuovo lubrificante contenente nanoparticelle venne studiata in termini di energia spesa e capacità frigorifera. Il sistema studiato aveva una capacità di 265 L ed era costituito da un doppio vano a doppia temperatura dotato di un doppio sistema di controllo e utilizzava un compressore alternativo.

Il consumo energetico del sistema è stato misurato in diverse configurazioni: R134a/POE (riferimento), R134a/olio minerale- TiO2 con due diverse concentrazioni in massa, 0.06% e 0.1%. La seguente Tabella riporta i risultati più interessanti.

I risultati pubblicati da Bi et al. (2008) dimostrano gli interessanti miglioramenti che possono essere raggiunti con l’utilizzo di una piccola quantità di nanoparticelle disperse negli oli lubrificanti. La riduzione del consumo energetico può raggiungere il 26%. Gli autori hanno anche testato l’effetto del tipo di nanoparticella sulla prestazione del refrigeratore mescolando le stesse quantità di Al2O3 con l’olio minerale.

Come riportato nella precedente Tabella, la prestazione del refrigeratore sembra poco influenzata dalla natura delle nanoparticelle che vengono mescolate all’olio minerale; misure con l’utilizzo del solo olio minerale come lubrificante mostrarono un buon risparmio energetico, circa 16%; comunque, l’uso delle nanoparticelle permette di migliorare sia la solubilità del R134a nell’olio minerale, sia la capacità di ritorno dell’olio al compressore.

Figura 1: Immagine SEM delle nanoparticelle di TiO2. (Sabareesh et al., 2012)

Più recentemente, Sabareesh et al. (2012) studiarono sperimentalmente l’applicazione di nanoparticelle di TiO2 come additivo per il lubrificante da impiegare in una macchina frigorifera.

La Figura 1 mostra un’immagine SEM delle nanoparticelle di TiO2 che furono mescolate con l’olio minerale impiegato come lubrificante in una macchina frigorifera a R12. L’utilizzo dell’R12 può essere considerato il punto debole di questo lavoro, tuttavia i risultati ottenuti dagli autori meritano di essere presentati perché permettono di evidenziare le interessanti proprietà di questa nuova generazione di lubrificanti.

Una frazione volumetrica pari allo 0.01% di TiO2 fu aggiunta all’olio minerale per ottenere il nuovo lubrificante; la seguente Tabella riporta i risultati sperimentali misurati durante il funzionamento di una piccola unità refrigerata.

Sulla base dei risultati riportati in Tabella, appare chiaramente come l’aggiunta di una frazione volumetrica pari a 0.01% di nanoparticella all’olio permetta un incremento pari al 3.6% della capacità frigorifera, riduca la potenza di compressione di circa 11% e, globalmente, migliori il COP del 17%.

Un altro interessante lavoro (Wang et al., 2010) riguarda l’uso di un nuovo nano-olio minerale ottenuto mescolando una certa quantità di nanoparticelle (NiFe2O4) con un olio di naftene B32 in una macchina residenziale per il condizionamento dell’aria ad R410A. Gli autori studiarono anche la solubilità di questo nano-lubrificante con R134a, R407C, R410A e R425a. La Figura 2 mostra un’immagine TEM delle nanoparticelle di NiFe2O4.

Figura 2: Immagine TEM delle nanoparticelle di NiFe2O4 . (Wang et al., 2010)

I test di questo climatizzatore per uso residenziale vennero condotti in una camera ad umidità controllata; i risultati mostrarono che il nano-olio sembra essere sufficientemente stabile per essere impiegato come lubrificante in queste macchine. Inoltre anche i risultati di solubilità di questo nano-olio con i principali HFC si sono dimostrati soddisfacenti.

I risultati sperimentali indicano che la miscela R410A/ NiFe2O4-olio minerale lavora bene nei condizionatori d’aria e la performance del prototipo testato era significativamente maggiore (4-6%) rispetto al sistema tradizionale R410A/POE, sia in raffreddamento che in riscaldamento.

Infine, questo lavoro dimostrò l’applicabilità di questi oli minerali con nanoparticelle come sostituti del POE quando si venga a sostituire il fluido R22 con R410A nei condizionatori residenziali.

Da questa breve trattazione, si evince chiaramente che la comunità scientifica nutre un grande interesse nei riguardi di questa nuova generazione di lubrificanti che utilizzano nanoparticelle per migliorare la solubilità dei refrigeranti nei tradizionali olii permettendo un consistente risparmio energetico.

Bibliografia

• S.-S. Bi, L. Shi, L.-L. Zhang, Application of nanoparticles in domestic refrigerators, Applied Thermal Engineering, 2008, 28: 1834-1843.
• R.K. Sabareesh, N. Gobinath, V. Sajith, S. Das, C.B. Sobhan, Application of TiO2 nanoparticles as a lubricant-additive for vapour compression refrigeration systems – An experimental investigation, International Journal of Refrigeration, 2012, 35: 1989-1996.
• R. Wang, Q. Wu, Y. Wu, Use of nanoparticles to make mineral oil lubricants feasible for use in a residential air conditioner employing hydrofluorocarbons refrigerants, Energy and Buildings, 2010, 41: 2111-2117.

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