Lo studio sperimentale affrontato si pone come obiettivo il confronto delle prestazioni di un impianto frigorifero esistente, funzionante con R22, allorché quest’ultimo viene sostituito con fluidi HFC nel rispetto del Regolamento 2037/2000. In particolare è stata valutata l’efficienza dell’impianto funzionante prima con R22 e poi con i fluidi HFC R417A, R407C e R404A. L’analisi sperimentale ha consentito di verificare che, malgrado la facilità di sostituzione con i fluidi HFC provati, non si ottengono le stesse prestazioni dell’R22, bensì l’efficienza subisce penalizzazioni.

INTRODUZIONE

Il Regolamento (CE) N. 2037/2000  sulle sostanze che riducono lo strato di ozono prevede, fra l’altro, che nessun produttore o importatore potrà immettere sul mercato o potrà usare per proprio conto HCFC dopo il 31 dicembre 2009 [1]. Fra i fluidi in grado di sostituire gli HCFC i più adoperati sono gli HFC. La sostituzione degli HCFC mediante gli HFC fluidi sintetici refrigeranti privi di azioni dannose nei confronti dello strato di ozono, in quanto non contenenti cloro, pone altri problemi. Ed infatti gli HFC concorrono, come gli HCFC, al riscaldamento globale del nostro pianeta sia come contributo diretto sia come contributo indiretto. Poiché gli HFC hanno un effetto serra diretto elevato, è necessario preliminarmente contenere al minimo le perdite dagli impianti e quindi orientarsi verso la scelta di HFC con minor effetto serra.

L’HCFC più largamente adoperato negli impianti frigoriferi e negli impianti di condizionamento è stato l’R22. La sua messa al bando impone la scelta di soluzioni alternative che vanno dalla riprogettazione del sistema per l’impiego di un fluido naturale a quella di continuare ad operare con lo stesso impianto adoperando fluidi sostitutivi privi di azioni nocive sullo strato di ozono (ODP = 0), a basso o nullo GWP ed in grado di operare negli impianti esistenti funzionanti ad R22 con buona efficienza e senza dover ricorrere a laboriose operazioni di retrofit che prevedono il cambio dell’olio lubrificante e di componenti dell’impianto frigorifero. Esistono in letteratura molti lavori sia teorici che sperimentali relativi alla sostituzione dell’R22 degli impianti esistenti e sui risultati derivanti da questa sostituzione [2-10].

In questo lavoro abbiamo voluto verificare, sperimentalmente, la validità della sostituzione dell’R22 con i fluidi HFC R417A, R407C e R404A. A tal fine è stato utilizzato un impianto sperimentale realizzato presso il laboratorio di Tecnica del Freddo del Dipartimento dell’Energia dell’Università di Palermo.

I risultati ottenuti consentono di attuare, sulla base dei dati misurati e calcolati, un confronto fra le prestazioni dell’R22 e quelle degli HFC esaminati e di verificare se questa sostituzione può comportare implicazioni negative in termini di efficienza energetica e rispetto dell’ambiente.

IMPIANTO DI PROVA

Nella Fig. 1 viene riportato lo schema di insieme dell’impianto sperimentale utilizzato per le prove. Esso è costituito essenzialmente da un impianto a compressione di vapore saturo dotato di un compressore alternativo a quattro cilindri della capacità volumetrica di 32.54 m³/h. La condensazione del fluido di lavoro si realizza trasferendo energia termica all’ambiente esterno mediante un condensatore costituito da una batteria alettata ad aria. Il carico frigorifero è costituito da una soluzione acqua – glicole etilenico (10% in massa) che viene riscaldata per mezzo di una caldaia a gas e viene poi inviata all’evaporatore.

L’impianto per eseguire le prove sperimentali si compone di due parti: la prima parte comprende l’impianto frigorifero costituito da compressore alternativo semiermetico, separatore d’olio, condensatore ad aria, ricevitore di liquido, filtro a cartuccia, valvola laminatrice termostatica ed evaporatore di tipo coassiale. La seconda parte è costituita dal circuito adibito alla produzione del carico termico da avviare all’evaporatore. Esso si compone di una caldaia murale a gas che riscalda una miscela di acqua e glicol etilenico, di un dispositivo di accumulo del fluido, di una valvola di regolazione a tre vie e di una pompa di circolazione. Tutto l’impianto è dotato della strumentazione necessaria per l’acquisizione on-line dei principali parametri operativi quali temperature, pressioni e portata di fluido.

 

Fig.1: Schema dell’impianto sperimentale.

Per quanto attiene al fluido di lavoro, sono misurate e registrate pressione e temperatura nelle sezioni di ingresso e di uscita di ciascun componente dell’impianto. La portata massica viene rilevata all’uscita del ricevitore di liquido posto a valle del condensatore.

I valori di temperatura vengono rilevati mediante termocoppie del tipo T (rame-costantana), mentre i valori di pressione vengono rilevati da trasduttori di tipo piezoelettrici che convertono la grandezza misurata in un segnale standard di tensione 1 ÷ 5 Volt.

Per la misura delle portate si è fatto uso di due diversi strumenti: nel circuito di refrigerazione è stato utilizzato un misuratore di portata massica ad effetto Coriolis, mentre nel circuito attraversato dalla miscela acqua-glicole si è fatto ricorso ad un flussometro a turbina. I valori misurati delle diverse grandezze vengono registrati ed elaborati da un sistema di acquisizione dati comprendente un data logger a trenta canali ed un personal computer.

La potenza termica da smaltire sull’evaporatore viene simulata attraverso il circuito dell’acqua glicolata. A tal fine vengono misurati la portata massica del fluido e le relative temperature nelle sezioni di ingresso e di uscita dell’evaporatore. Nella Tab. 1 sono riportate le caratteristiche dei componenti principali dell’impianto frigorifero, mentre la Tab. 2 riporta i parametri più significativi dei fluidi utilizzati nelle prove.

Tab. 1: Principali caratteristiche di alcuni componenti dell’impianto.

Tab. 2: Principali caratteristiche dei fluidi refrigeranti utilizzati nelle prove

Nella Tab. 3 sono riportate le caratteristiche degli strumenti di misura montati sull’impianto. L’isolamento termico degli scambiatori di calore e del ricevitore di liquido è stato realizzato mediante lastre in elastomero espanso a base di gomma sintetica (Armaflex) dello spessore di 25 mm. Le tubazioni di collegamento dei vari componenti sono state isolate con manicotti cilindrici in elastomero espanso a base di gomma sintetica (Armaflex) dello spessore di 25 mm.

Tab. 3: Strumenti di misura montati nell’impianto.

PROCEDURE DI PROVA

Obiettivo delle prove sperimentali eseguite è stato quello di determinare il comportamento reale dell’impianto frigorifero al variare della tipologia di fluido utilizzato. E’ possibile in tal modo ottenere informazioni adeguate sull’efficienza dell’impianto nelle varie condizioni di impiego sostituendo l’R22 con i fluidi alternativi. Le prove eseguite hanno la finalità di fornire indicazioni sulle prestazioni dell’impianto frigorifero progettato e realizzato per funzionare con R22, allorché esso viene sostituito con altri fluidi HFC.

Per le prove è stata utilizzata sempre la stessa valvola laminatrice termostatica, dotata di equalizzazione esterna della pressione, cambiando soltanto l’orifizio di passaggio, al variare del fluido, per evitare pendolamenti della stessa durante il funzionamento. Mediante una differente regolazione della valvola laminatrice si è imposto un ben determinato valore del surriscaldamento del fluido (Δt_s = 5 °C) in condizioni di funzionamento a regime scegliendo il range di portata più opportuno per ogni fluido provato. E’ stata imposta inoltre la temperatura di condensazione paria a 38 °C.

Le prove eseguite hanno simulato una situazione reale, congruente con le specifiche tecniche dell’evaporatore. La soluzione acqua-glicole in ingresso all’evaporatore viene mantenuta ad una temperatura costante di 12 °C.

La portata è stata scelta in un determinato range in modo da ottenere valori di temperatura di uscita della soluzione acqua-glicole in un intervallo compreso tra 4 e 10 °C. Regolando e controllando la portata al valore prescelto, sono state rilevate le temperature di ingresso e di uscita ed è stata ricavata la potenza termica scambiata.

Le prove sono state eseguite dopo avere raggiunto condizioni di funzionamento in regime permanente. Le grandezze controllate per verificare le suddette condizioni sono pressione e temperatura nelle sezioni di ingresso ed uscita dall’evaporatore. Sono state considerate condizioni di regime quando le variazioni di temperatura sono state inferiori a 0.3 °C e le variazioni di pressione sono state di 5 kPa e 20 kPa rispettivamente per il circuito di bassa e di alta pressione.

Per ogni fluido provato sono stati rilevati i valori di pressione e temperatura nei punti fondamentali del ciclo e sono stati letti, sulle tabelle che riportano le proprietà termodinamiche di ogni fluido, i valori di entalpia corrispondenti, necessari per il calcolo del COP. Al variare del fluido di lavoro (R22, R417A, R407C e R404A) è stato cambiato l’assetto della valvola termostatica mediante la sostituzione dell’orifizio in relazione al fluido impiegato per la prova.

RISULTATI SPERIMENTALI

Al fine di verificare il buon funzionamento tutto l’impianto ha lavorato preliminarmente con R22 in diverse condizioni di esercizio. Il bilancio energetico dell’evaporatore è stato condotto valutando la potenza termica in esso trasferita, sia attraverso la variazione di entalpia della soluzione acqua-glicole sia attraverso la variazione di entalpia dell’R22 fra le sezioni terminali dello scambiatore.

E’ stato eseguito il confronto per sette diverse condizioni di prova fra la potenza termica scambiata lato acqua-glicole e quella ottenuta attraverso la variazione di entalpia del fluido di lavoro.

La Fig. 2 riporta l’andamento del COP in funzione della portata di soluzione acqua-glicole per i fluidi esaminati. Dai dati ricavati si osserva come le prestazioni ottenute con l’R22 si discostano da quelle riscontrate con l’R417A, R404A e R407C, i quali forniscono risultati più modesti.

Ciò comporta un maggior consumo di energia che si riflette su un maggiore impatto di carattere ambientale. A tal fine abbiamo confrontato l’incidenza sull’effetto serra causato dall’uso dei diversi fluidi frigorigeni, mediante il calcolo del TEWI.

Fig. 2: Variazione del COP in funzione della portata dell’acqua glicolata.

Il TEWI è un parametro che tiene conto dell’effetto serra diretto causato dal rilascio dall’impianto del fluido frigorigeno e dell’effetto serra indiretto causato dal rilascio di CO₂ nell’impianto in cui viene ottenuta l’energia elettrica necessaria per far funzionare l’impianto.

L’effetto serra diretto si ottiene convertendo in kg di CO₂ le perdite di refrigerante e moltiplicando la massa totale di refrigerante emesso per il suo GWP. Si è considerato per il GWP un ITH pari a 100.

Con riferimento alle esperienze condotte con il nostro impianto, il contributo diretto all’effetto serra è stato valutato in base alla quantità dei fluido di lavoro caricate nell’impianto e stimando la perdita annua di refrigerante pari al 7% della carica. In Tab. 4 viene riportato l’effetto serra diretto dei vari fluidi in termini di quantità annua di kg di CO₂ rilasciati nell’ambiente.

Tab. 4: Effetto serra diretto dei vari fluidi.

L’effetto serra indiretto è:

CO_{2, i.e.e} = a × Pot / COP × N × SL                                                                                               (1)

con: α = kg CO₂ emesse per kWh generato, Pot = potenza frigorifera dell’impianto, COP = coefficiente di prestazione, N = ore di funzionamento per anno, SL = vita utile (anni di funzionamento dell’impianto). Per valutare CO₂, _i.e.e sono stati adottati  i seguenti valori dei termini sopra specificati: α = 0,45 [kg CO₂ / kWh], N = 1000 [h/anno], SL = 15 [anni]. Questo contributo dipende, fra l’altro, dal COP dell’impianto. Sulla base dell’andamento del COP, abbiamo calcolato il contributo indiretto che viene riportato in Fig. 3.

Fig. 3: Effetto serra indiretto in funzione della portata dell’acqua glicolata.

Infine sommando i due contributi, diretto ed indiretto, abbiamo calcolato il TEWI relativo ai fluidi, ottenendo i valori di Fig. 4 ove essi sono riportati in funzione della portata di fluido secondario. 

Fig. 4: Andamento del TEWI in funzione della portata dell’acqua glicolata.

5. CONCLUSIONI

Sono state eseguite diverse serie di prove con il fluido R22 (fluido di riferimento) e con i fluidi R417A, R407C and R404A. I risultati ottenuti hanno evidenziato una maggiore efficienza energetica dell’R22 rispetto agli altri fluidi provati.

I fluidi R417A, R407C and R404A sono caratterizzati da ODP=0 e negli impianti esistenti possono facilmente sostituire l’R22 senza cambio di lubrificante, senza bonifica dei circuiti frigoriferi e senza sostituzione di componenti accessori. Ciò rende particolarmente semplice l’operazione di sostituzione che può essere eseguita senza particolari attrezzature tecniche con costi abbastanza contenuti.

Purtroppo i valori di COP ottenuti dalle misure sperimentali evidenziano che la sostituzione di un fluido puro HCFC qual’è l’R22 risulta non conveniente ai fini dell’efficienza dell’impianto in quanto le differenti proprietà termofisiche dei fluidi sostitutivi testati portano a prestazioni meno soddisfacenti. Ciò dovrebbe indurre ad una riflessione sull’uso di fluidi alternativi in impianti esistenti.

Inoltre da un punto di vista ambientale l’incremento del TEWI può risultare di gran lunga più dannoso rispetto al danno prodotto dal modesto ODP posseduto dal fluido originario. Il Regolamento Europeo CE 842/2006 ha stabilito che fra le varie misure da prendere per migliorare le condizioni ambientali del nostro pianeta vi è anche quella di contenere l’incidenza del GWP nel calcolo del TEWI.

In questo contesto diventa una priorità l’utilizzo di fluidi frigorigeni adeguati ed in grado di favorire il raggiungimento degli obiettivi previsti che consistono in un incremento dell’efficienza energetica ed in una diminuzione dell’impatto ambientale complessivo.