Refrigerante naturale - Natural refrigerant

I refrigeranti naturali sono sostanze che fungono da refrigeranti nei sistemi di refrigerazione (compresi frigoriferi , HVAC e aria condizionata ). Sono alternative ai refrigeranti sintetici come i refrigeranti a base di clorofluorocarburi (CFC), idroclorofluorocarburi (HCFC) e idrofluorocarburi (HFC). A differenza di altri refrigeranti, i refrigeranti naturali non sono sintetici e possono essere trovati in natura. I più importanti di questi includono vari idrocarburi naturali, anidride carbonica, ammoniaca e acqua. I refrigeranti naturali sono preferiti ai loro omologhi sintetici per i loro livelli più elevati di sostenibilità . Con le attuali tecnologie disponibili, quasi il 75% del settore della refrigerazione e del condizionamento ha il potenziale per essere convertito ai refrigeranti naturali.

Sfondo

CFC nell'atmosfera nel tempo in parti per trilione

I refrigeranti sintetici sono stati utilizzati nei sistemi di refrigerazione sin dalla creazione di CFC e HCFC nel 1929. Quando questi refrigeranti fuoriescono dai sistemi e nell'atmosfera possono avere effetti negativi sullo strato di ozono e sul riscaldamento globale. I refrigeranti CFC contengono carbonio, fluoro e cloro e diventano una fonte significativa di cloro inorganico nella stratosfera dopo la loro decomposizione fotolitica per radiazione UV . Il cloro rilasciato diventa attivo anche nella distruzione dello strato di ozono. Gli HCFC hanno una vita atmosferica più breve dei CFC a causa della loro aggiunta di idrogeno, ma hanno ancora effetti negativi sull'ambiente dai loro elementi di cloro. Gli HFC non contengono cloro e hanno una vita atmosferica breve, ma assorbono comunque la radiazione infrarossa per contribuire all'effetto serra dai loro elementi fluoro.

Nel 1987 il Protocollo di Montreal ha riconosciuto per la prima volta questi pericoli e ha vietato l'uso di CFC entro il 2010. Un emendamento del 1990 includeva accordi per eliminare gradualmente l'uso di HCFC entro il 2020 con l'eliminazione della produzione e dell'importazione entro il 2030. I refrigeranti HFC, che hanno un impatto trascurabile lo strato di ozono, sono stati visti come validi sostituti, ma anche questi hanno un forte impatto sul riscaldamento globale. L' emendamento di Kigali del 2016 prevede che questi HFC vengano ridotti dell'80% nei prossimi 30 anni. I refrigeranti naturali sono una delle potenziali opzioni per la sostituzione degli HFC e di conseguenza stanno crescendo in termini di utilizzo e popolarità. Si prevede che l'industria dei refrigeranti naturali avrà un tasso di crescita annuo composto dell'8,5% nei prossimi 4 anni e si prevede che diventerà un'industria da 2,88 miliardi di dollari entro il 2027.

Metriche di sostenibilità

I refrigeranti sono tipicamente valutati sia sul loro potenziale di riscaldamento globale (GWP) che sul potenziale di riduzione dell'ozono (ODP) . La scala del GWP è standardizzata all'anidride carbonica, dove il valore del refrigerante è il multiplo del calore che verrebbe assorbito dalla stessa massa di anidride carbonica in un periodo di tempo. Questo è generalmente misurato su un periodo di 100 anni. L'ODP misura l'impatto relativo di un refrigerante sullo strato di ozono, standardizzato a R-11, che ha un valore di 1.

GWP e ODP variano notevolmente tra i diversi refrigeranti. I CFC sono generalmente quelli a più alto impatto, con un GWP e un ODP elevati. Gli HCFC hanno valori GWP simili e valori ODP medi. Gli HFC hanno di nuovo valori GWP simili ma un valore ODP pari a zero. I refrigeranti naturali hanno valori GWP da bassi a zero e valori ODP nulli. I refrigeranti naturali stanno quindi guadagnando sempre più interesse per sostituire gli HFC e offrire un'opzione più sostenibile per la refrigerazione.

ODP e GWP di refrigeranti sintetici e naturali selezionati
Classificazione Refrigerante Potenziale di riduzione dell'ozono Potenziale di riscaldamento globale
CFC R-12 1 10.900
R-502 0,33 4.657
HCFC R-22 0,055 1,810
R-123 0.06 77
HFC R-23 0 14.800
R-32 0 675
Naturale R-170 (etano) 0 6
R-744 (anidride carbonica) 0 1
R-717 (ammoniaca) 0 0
R-718 (Acqua) 0 0

Refrigeranti

Idrocarburi come refrigeranti

I composti di idrogeno puro vedono un uso moderato nella refrigerazione. Gli idrocarburi sono un'opzione praticabile come refrigeranti perché, oltre a fornire proprietà di raffreddamento, sono anche abbondanti ed efficienti dal punto di vista energetico. Sono valutati per essere fino al 50% più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai refrigeranti sintetici. Gli idrocarburi sono anche rispettosi dell'ambiente, poiché esistono in natura e si collocano in basso nella scala del potenziale di riscaldamento globale (GWP). Storicamente, gli idrocarburi hanno visto l'uso principalmente come refrigerante per il raffreddamento e la refrigerazione industriale, ma con l'attuale spostamento verso i refrigeranti naturali stanno iniziando a vedere un aumento dell'uso in altre aree della refrigerazione. Sono il refrigerante preferito di molti paesi europei.

Gli idrocarburi usati come refrigeranti includono:

Infiammabilità

Il principale svantaggio dell'utilizzo di idrocarburi come refrigeranti è che sono estremamente infiammabili a pressioni più elevate. In passato, questo rischio veniva mitigato trasformando gli idrocarburi in CFC, HCFC e HFC, ma con l'evitamento crescente di tali sostanze, è necessario affrontare il problema dell'infiammabilità. I sistemi di refrigerazione funzionano pressurizzando il refrigerante fino a un punto in cui inizia a mostrare le proprietà del refrigerante, ma con il rischio di pressurizzare gli idrocarburi è necessario un livello di cautela maggiore per la pressione interna. Affinché gli idrocarburi possano bruciare, deve prima esserci un rilascio di idrocarburi che si mescolano con la giusta proporzione di aria, e poi deve essere presente una fonte di accensione. L'intervallo di infiammabilità per gli idrocarburi è compreso tra 1 e 10% e una sorgente di accensione deve avere un'energia maggiore di 0,25 J o una temperatura maggiore di 440 °C.

Le attuali misure di sicurezza relative all'utilizzo degli idrocarburi sono delineate dall'Environmental Protection Agency (EPA) . Le linee guida EPA sull'utilizzo degli idrocarburi come refrigerante includono la designazione specifica di intervalli di pressione per i sistemi refrigeranti a idrocarburi, garantendo la rimozione di componenti potenzialmente infiammabili dai sistemi refrigeranti a idrocarburi come i componenti elettrici soggetti a scintille e fissando standard sulla costruzione dei sistemi per garantire un livello di sicurezza più elevato. L'installazione di una ventilazione tale che la concentrazione nell'aria sia inferiore al limite di infiammabilità e la riduzione della dimensione massima della carica del refrigerante sono altre misure di sicurezza praticabili. I progressi tecnologici per ridurre la quantità di carica totale di refrigerante sono stati recentemente ottenuti utilizzando scambiatori di calore a minicanali in alluminio.

Applicazioni e usi

I mercati dei refrigeranti a base di idrocarburi sono cresciuti a causa della crescente preoccupazione per gli effetti ambientali dei tipici refrigeranti sintetici. Secondo ASHRAE, le apparecchiature disponibili che utilizzano il refrigerante a base di idrocarburi includono quanto segue:

  • Sistemi con piccole spese come frigoriferi domestici, congelatori e condizionatori portatili
  • Sistemi di refrigerazione commerciale autonomi, comprese macchine per bevande e gelati
  • Sistemi indiretti centralizzati per la refrigerazione dei supermercati
  • Sistemi di refrigerazione da trasporto per camion
  • Refrigeratori nella gamma di 1 kW – 150 kW

Anidride carbonica come refrigerante (R-744)

L'anidride carbonica è stata ampiamente utilizzata come refrigerante. Il principale vantaggio dell'anidride carbonica come refrigerante deriva dal fatto che è classificato come refrigerante A1 dall'EPA, collocandolo nella categoria meno tossica e pericolosa per i refrigeranti. Ciò rende l'anidride carbonica un refrigerante praticabile per i sistemi utilizzati in aree in cui una perdita potrebbe causare esposizione. L'anidride carbonica vede un ampio uso nei sistemi di refrigerazione su larga scala, a volte tramite un sistema di refrigerazione a cascata . Viene anche usato con parsimonia nella refrigerazione automobilistica ed è considerato favorevole per gli usi nei sistemi di refrigerazione e condizionamento domestici, commerciali e industriali. Anche l'anidride carbonica è abbondante e poco costosa. Questi fattori hanno portato all'utilizzo dell'anidride carbonica come refrigerante dal 1850, quando fu brevettato per l'uso come refrigerante nel Regno Unito. L'utilizzo di anidride carbonica all'epoca era limitato a causa delle alte pressioni richieste per manifestare le proprietà del refrigerante, ma queste pressioni possono essere facilmente raggiunte e sostenute con l'attuale tecnologia di pressurizzazione.

La principale preoccupazione per l'uso dell'anidride carbonica nella refrigerazione è l'aumento della pressione necessaria affinché l'anidride carbonica agisca come refrigerante. L'anidride carbonica richiede pressioni più elevate per poter condensare all'interno del sistema di raffreddamento, il che significa che deve essere pressurizzata più degli altri refrigeranti naturali. Può richiedere fino a 200 atmosfere per ottenere una pressione adeguata per la condensazione. I sistemi di refrigerazione che utilizzano anidride carbonica devono essere costruiti per resistere a pressioni più elevate. Ciò impedisce che i vecchi sistemi di raffreddamento possano essere adattati per utilizzare l'anidride carbonica. Tuttavia, se l'anidride carbonica viene utilizzata come parte di un sistema di refrigerazione in cascata, può essere utilizzata a pressioni inferiori. L'utilizzo di anidride carbonica nei sistemi di refrigerazione a cascata significa anche che i suddetti vantaggi di disponibilità e basso prezzo sono applicabili a un sistema a cascata.

Ci sono anche vantaggi per le maggiori pressioni richieste. Pressioni aumentate producono densità di gas più elevate, che consentono di ottenere maggiori effetti di refrigerazione. Ciò lo rende ideale per il raffreddamento di carichi densi come quelli che si trovano nelle sale server. Consente inoltre all'anidride carbonica di funzionare bene in condizioni di freddo (da -30 a -50 ° C), poiché ci sono riduzioni molto piccole delle temperature di saturazione per una data caduta di pressione. I congelatori a piastre e gli abbattitori hanno notato miglioramenti in termini di efficienza e tempo di congelamento utilizzando l'anidride carbonica. Ci sono anche proposte per cicli termodinamici migliorati per aumentare l'efficienza dell'anidride carbonica a temperature più elevate. Inoltre, le apparecchiature con refrigerante ad anidride carbonica non sono necessariamente più pesanti, ingombranti o più pericolose di apparecchiature simili nonostante le pressioni di esercizio più elevate a causa delle ridotte portate di volume del refrigerante.

Quando la pressione dell'anidride carbonica viene elevata al di sopra del suo punto critico di 7,3773 MPa, non può essere liquidata. Lo smaltimento del calore deve avvenire raffreddando il gas denso, il che crea una situazione vantaggiosa per le pompe di calore per il riscaldamento dell'acqua. Questi sono particolarmente efficienti con una fornitura di acqua fredda in entrata.

Ammoniaca come refrigerante (R-717)

L'ammoniaca (NH3) utilizzata come refrigerante è l'ammoniaca anidra , che è almeno il 99,5% di ammoniaca pura. L'acqua e l'olio non possono superare rispettivamente 33 e 2 ppm. Il refrigerante ammoniaca è immagazzinato in contenitori pressurizzati. Quando viene rilasciata la pressione, subisce una rapida evaporazione facendo abbassare la temperatura del liquido fino a raggiungere il punto di ebollizione di -28 °F, il che lo rende utile negli impianti di refrigerazione.

L'ammoniaca è stata utilizzata frequentemente nella refrigerazione industriale da quando è stata utilizzata per la prima volta nel processo di compressione nel 1872. È utilizzata per le sue proprietà termodinamiche favorevoli, efficienza e redditività. L'ammoniaca viene prodotta in quantità massicce a causa dell'industria dei fertilizzanti, il che la rende relativamente poco costosa. Ha un GWP e un ODP pari a zero, rendendo trascurabili le perdite di ammoniaca sul clima. L'ammoniaca è anche tollerante agli oli minerali e bassa sensibilità a piccole quantità di acqua nel sistema. Il calore di vaporizzazione dell'ammoniaca è elevato e la portata bassa, il che richiede l'utilizzo di tecnologie diverse rispetto ad altri refrigeranti. La bassa portata ha storicamente limitato l'ammoniaca a sistemi di maggiore capacità.

Uno dei maggiori problemi con l'utilizzo dell'ammoniaca nella refrigerazione è la sua tossicità. L'ammoniaca è letale in determinate dosi, ma una preparazione adeguata e protocolli di emergenza possono ridurre questi rischi fino a un decesso ogni decennio, secondo l'EPA. L'odore insolito dell'ammoniaca è uno dei motivi, che consente agli esseri umani di rilevare perdite a partire da 5 ppm, mentre i suoi effetti tossici iniziano sopra i 300 ppm. Anche un'esposizione fino a trenta minuti può essere gestita senza effetti duraturi sulla salute. Di conseguenza, gran parte del rischio derivante dall'uso dell'ammoniaca come refrigerante è in realtà solo una questione di percezione pubblica. L'obiettivo principale delle misure di sicurezza è quindi quello di evitare un rapido aumento della concentrazione fino a un livello di panico pubblico. Anche l'infiammabilità non è particolarmente preoccupante, poiché l'intervallo di infiammabilità è del 15-28%, che verrebbe rilevato con largo anticipo. È classificato come 2L da ASHRAE per la bassa infiammabilità.

Applicazioni e usi

Le applicazioni di refrigeranti a base di ammoniaca possono includere quanto segue:

Si prevede che l'ammoniaca vedrà un maggiore utilizzo nelle industrie HVAC&R man mano che più funzionari vengono informati della sua relativa sicurezza. È già utilizzato in grandi installazioni di pompe di calore e negozi di alimentari, nonché in progetti come la Stazione Spaziale Internazionale . Analogamente all'anidride carbonica, l'ammoniaca può essere utilizzata anche nei sistemi di refrigerazione a cascata per migliorare l'efficienza del processo di refrigerazione. Vi è un crescente utilizzo di sistemi di refrigerazione a cascata che contengono sia ammoniaca che anidride carbonica. I refrigeratori ad assorbimento con una miscela di acqua/ammoniaca sono anche convenienti in alcune applicazioni come i sistemi combinati di refrigerazione, riscaldamento ed energia . La tecnologia avanzata rende anche l'ammoniaca un'opzione sempre più praticabile per i sistemi su piccola scala.

Acqua come refrigerante (R-718)

L'acqua non è tossica, non è infiammabile, ha un valore GWP e ODP pari a zero e ha un basso costo. Le sfide tecniche, come l'elevato volume specifico dell'acqua a basse temperature, gli alti rapporti di pressione richiesti attraverso il compressore e le alte temperature all'uscita del compressore, esistono come barriere all'uso di acqua e vapore acqueo come refrigerante. Inoltre, alcune applicazioni possono riscontrare problemi con l'accumulo di sedimenti e l'allevamento di batteri, sebbene questi problemi possano essere ridotti al minimo con tecniche come l'aggiunta di sostanze chimiche per combattere i batteri e l'addolcimento dell'acqua utilizzata.

L'acqua è comunemente utilizzata a temperature più elevate nei refrigeratori ad assorbimento al bromuro di litio, ma il coefficiente di prestazione (COP) in queste applicazioni è solo un quinto dei tipici refrigeratori centrifughi a trasmissione elettrica. I cicli di refrigerazione a compressione di vapore sono un'applicazione rara, ma hanno il potenziale per produrre alti COP a causa delle proprietà termofisiche dell'acqua. Oltre ai refrigeratori ad assorbimento, l'acqua può essere utilizzata nella deumidificazione ad adsorbimento/raffreddamento evaporativo, nei refrigeratori ad adsorbimento e nei refrigeratori a compressione. L'acqua è stata proposta anche per essere utilizzata in speciali compressori rotativi, sebbene le dimensioni e il prezzo di questi sistemi possano diventare molto grandi.

Nei tipici sistemi a pompa di calore l' acqua può essere una sostanza refrigerante ideale, con alcune applicazioni che producono COP superiori a 20. Ciò la rende una scelta ovvia per le applicazioni industriali con temperature superiori a 80 °C. L'acqua ha anche dimostrato di essere praticabile come refrigerante nelle pompe di calore geotermiche

Tipico ciclo di Brayton

Aria come refrigerante

L'aria è libera, non tossica e non ha un impatto negativo sull'ambiente. L'aria può essere utilizzata come refrigerante nei sistemi di refrigerazione a ciclo d'aria , che lavorano sul ciclo Brayton o Joule inverso . L'aria viene compressa ed espansa per creare capacità di riscaldamento e raffreddamento. Originariamente venivano utilizzati espansori e compressori alternativi, che creavano scarsa affidabilità. Con l'invenzione dei compressori rotativi e degli espansori, l'efficienza e l'affidabilità di questi cicli sono migliorate e, insieme a nuovi scambiatori di calore compatti , l'aria può competere con i refrigeranti più convenzionali.

Gas nobili come refrigeranti

I gas nobili sono usati raramente come refrigeranti. Gli usi principali dei gas nobili come refrigeranti sono nei sistemi sperimentali di superrefrigerante liquido nei laboratori o nei superconduttori . Ciò vale in particolare per l'elio liquido , che ha un punto di ebollizione di 4,2 K. Non vengono mai utilizzati per la refrigerazione industriale o domestica.

Altri refrigeranti naturali

Questi refrigeranti naturali sono sostanze che possono essere utilizzate negli impianti di refrigerazione ma non vengono utilizzate o vengono utilizzate solo molto raramente a causa della disponibilità di composti che sono meno costosi o più facili da maneggiare e contenere.

Composti di ossigeno

Composti azotati

Lubrificante

Nei sistemi di refrigerazione, l'olio viene utilizzato per lubrificare le parti nel compressore per garantire il corretto funzionamento. Nelle operazioni tipiche, parte di questo lubrificante può passare inavvertitamente in un'altra parte del sistema. Ciò influisce negativamente sul trasferimento di calore e sulle caratteristiche di attrito del refrigerante. Per evitare ciò, l'olio lubrificante deve essere sufficientemente compatibile e miscibile con il refrigerante. I sistemi CFC utilizzano oli minerali, tuttavia i sistemi HFC non sono compatibili e devono fare affidamento su oli a base di estere e polialchilenglicole, che sono significativamente più costosi.

Gli idrocarburi hanno un segno di solubilità con gli oli minerali standard, quindi sono necessari lubrificanti a bassissima solubilità. Il polialchilene glicole e la polialfaolefina sono tipicamente utilizzati in questi sistemi per il loro basso punto di scorrimento e pressioni di vapore. Gli oli tradizionali non possono essere utilizzati per i lubrificanti nei sistemi ad anidride carbonica poiché sono più solventi della maggior parte degli HFC. L'olio poliestere è specificamente progettato per essere utilizzato in sistemi a base di anidride carbonica e aiuta anche a prevenire l'aumento dell'usura dei cuscinetti e dei costi di manutenzione che possono derivare dalle maggiori sollecitazioni e pressioni su un sistema ad anidride carbonica. L'ammoniaca richiede lubrificanti con basse temperature di esercizio ed elevate resistenze all'ossidazione, fluidità e viscosità. Tipicamente vengono utilizzate miscele di polialfaolefine o polialfaolefine e alchilbenzene.

Riferimenti

link esterno

Guarda anche