anidride carbonica: il refrigerante del futuro?

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1 1 anidride carbonica: il refrigerante del futuro? prof. ing. Fabio POLONARA 2 ANIDRIDE CARBONICA CO 2 R744 è abbondante e poco costosa è un refrigerante naturale, senza alcun impatto ambientale globale né presente né futuro non infiammabile né tossica; più pesante dell aria è compatibile con tutti i materiali gli olî POE e AN danno buone prestazioni con R744 1

2 3 proprietà termodinamiche p R744 CO solido T C liquido vapore C gas 31.1 C T[K] 4 proprietà termodinamiche 100 R717 R744 R R290 R410A R134a temperatura [ C] 2

3 5 proprietà termodinamiche tt b,n b,n p ev ev p cond cond r r h h ev ev m refr m vol,liq v asp v asp h h ev,vol ev,vol vol L L COP COP tt fc fc [ C] [ C] [kj [kj. kg -1 ]. kg - 1 ] [kg [kg. h -1 ]. h - 1 ] asp [m [m h h - -1 ] 1 ] [m [m kg kg - -1 ] 1 ] [kj [kj. -3 ]. m - 3 ] [kw] [kw] [ C] [ C] *R744 *R744 R410A R410A R507 R R404A R404A R502 R502 R407C R407C R22 R22 R717 R717 R12 R tev=-15 C, t ev=-15 C, 15 C, tcond=40 C t cond=40 C =40 C (30 C (30 C CO2), CO2), surrisc=0 C, surrisc=0 C, sottoraffr=0 C, sottoraffr=0 C, ηis=1, η is=1, =1, ηvol=1, η vol=1, =1, Q ev=1kw =1kW 6 proprietà termodinamiche 3

4 7 100 bar -20 C entalpia CONDENSATORE +40 C la trasformazione di cessione di calore all ambiente esterno non comporta la condensazione ma il raffreddamento isobaro di una fase gassosa densa GAS COOLER bar 90 bar +40 C caratteristica del ciclo transcritico è l esistenza di una PRESSIONE OTTIMALE del raffreddatore di gas (a parità di temperatura di uscita dal gas cooler) entalpia tale valore dipende dalle condizioni del ciclo (temperatura di evaporazione, surriscaldamento p opt [ bar ] all aspirazione, rendimento isentropico, t ev ; t gc,out [ C ] temperatura della CO2 all uscita dal gas cooler) p opt = ( t ev ) t gc,out + ( t ev 9.34 ) 40 C < t < + 5 C 31 C < t < 50 C η = ev gc,out is 1 4

5 9 il COP teorico è più basso rispetto alle alternative: COP(R134a)=2.00 COP(R744)=1.34 il rapporto di com con la CO 2 è più basso di quella relativo agli altri fluidi; il rendimento isoentropico è più elevato 100 bar 90 bar entalpia sono possibili coefficienti di scambio termico più elevati le perdite per laminazione possono essere ridotte abbassando la temperatura di uscita del gas dal gas cooler operante a ipercritica in alcune particolari applicazioni è possibile ottenere efficienze confrontabili con quelle dei fluidi tradizionali -20 C +40 C 10 CICLO TRANSCRITICO le perdite per laminazione possono essere ridotte abbassando la temperatura di uscita del gas dal gas cooler operante a ipercritica in alcune particolari applicazioni è possibile ottenere efficienze confrontabili con quelle dei fluidi tradizionali 5

6 bar 90 bar +40 C il livello delle pressioni è molto alto l effetto frigorifero volumetrico è molto elevato entalpia le macchine a CO 2 nonostante la maggior di lavoro, non sono più pesanti o più ingombranti o più pericolose, grazie alle portate volumetriche inferiori e alla possibilità di prevedere velocità maggiori 12 calore latente volumetrico [kj/m3] il livello delle pressioni è molto alto R22 R134a R410A R717 R744 le macchine a CO 2 nonostante la l effetto maggior di lavoro, non frigorifero sono più pesanti o più ingombranti o volumetrico più pericolose, grazie alle portate è molto volumetriche inferiori e alla elevato possibilità di prevedere velocità maggiori 6

7 13 compressori bassi rapporti di com bassi trafilamenti sulle fasce elastiche bassi trafilamenti attraverso le valvole macchine compatte con piccola corsa rendimenti isentropici migliori del 10% scambiatori elevata conducibilità termica (sia liquido che gas) elevato calore specifico del liquido bassa viscosità cinematica accettabili elevate perdite di carico (tubi più piccoli) coefficienti di scambio elevati condizioni ambiente climi temperati efficienza stagionale elevata il COP reale si avvicina a quello ideale più che con gli HFC 14 t ev =-10 C η is,compr =0.8 η is,espans =0.7 ε scamb =0.7 t intermedia =31 C p ottimale 7

8 15 t ev =-10 C η is,compr =0.8 η is,espans =0.7 ε scamb =0.7 t intermedia =31 C p ottimale 16 applicazioni condizionamento autoveicoli refrigerazione commerciale refrigerazione industriale pompe di calore 8

9 17 applicazioni 1 CONDENSER 4 10 C -10 C -30 C -50 C -70 C -90 C monostadio bistadio cascata 2 1 m m R717 m' m ' R EVAPORATOR C T T s s 18 applicazioni la pompa di calore a CO 2 si presta vantaggiosamente a riscaldare portate di fluido ridotte con elevati salti termici temperatura laminaz. con salto termico C sull acqua, e portata d acqua ridotta di conseguenza, l applicazione può risultare conveniente dal punto di vista energetico R134a 80 C ingresso acqua lunghezza scambiatore temperatura CO 2 a 120 bar uscita acqua gas cooler riscaldamento evaporazione entropia com ACS c è un ottimo accordo tra i profili di temperatura della CO 2 a 120 bar ed una portata d acqua riscaldata in controcorrente nel gas cooler; il profilo dell R134a e decisamente meno favorevole 9