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COMPRESSORI FRIGORIFERI PER CO₂

Officine Mario Dorin S.p.A.
Ing. Giacomo Pisano

Il mercato della refrigerazione e del condizionamento sta sempre piu' focalizzando la sua attenzione sui problemi legati all’impatto ambientale dei propri sistemi con l’obiettivo di ottemperare a quanto stabilito dal protocollo di Montreal (1987) e dal protocollo di Kyoto (1997).

Durante gli ultimi dieci anni l’impiego dell’anidride carbonica (CO₂) come refrigerante ha guadagnato rinnovato interesse a causa dei problemi ecologici derivanti dall’utilizzo di fluidi sintetici (CFC-HCFC-HFC).

L’anidride carbonica infatti:

• un refrigerante naturale

• ha un ODP = 0 (ozone depletion potential, tasso di distruzione dell’ozono)

• ha un GWP = 1 (global warming potential, tasso di riscaldamento globale del pianeta)

• non un refrigerante infiammabile

• non un refrigerante tossico

• un prodotto disponibile in tutto il mondo

• un prodotto a basso costo.

Inoltre i governi europei stanno programmando la limitazione progressiva dell’utilizzo dei refrigeranti sintetici in ogni tipo di impianto termico: ad esempio il governo norvegese prevede il pagamento di tasse per l’impiego di refrigeranti HFC mentre quello austriaco ne vieter l’utilizzo a partire dal 2008; nella stessa direzione stanno muovendosi anche i governi di Svizzera e Danimarca.

E’ comunque un dato di fatto che i Governi delle Nazioni nord-Europee stiano promuovendo con forza l’impiego dei refrigeranti naturali, collaborando anche con organizzazioni di tipo NGO (Non Governmental Organizations) come GreenPeace e UNEP.

Ad oggi la sfida che porta all’impiego di sistemi di condizionamento e refrigerazione privi di HFC e HCFC stata gia' a pieno raccolta da famose multinazionali che stanno effettuando svariate migliaia di Field Test in tutto il mondo. Alcuni di questi Field Test sono stati operativi durante i recenti Giochi Olimpici di Atene 2004.

Cos come accade per i refrigeranti sintetici, anche con l’impiego di anidride carbonica il ruolo di cuore motore all’interno dell’impianto ricoperto dal compressore. Tuttavia il progetto e lo sviluppo di compressori per refrigerazione che evolvano CO₂ presentano difficolta' non indifferenti, principalmente legate a:

• pressioni di esercizio elevate (funzionamento in condizioni transcritiche, vedasi fig.1)
• elevate temperature di fine compressione (vedasi fig.2)

• elevata solubilita' degli oli poliestere

• capacita' termica volumetrica specifica da 5 a 10 volte superiore rispetto a quella dei fluidi convenzionali

• contenimento dei fenomeni di rumorosita' e vibrazione entro livelli accettabili.

Durante gli ultimi anni, numerosi sono stati i tentativi di realizzare compressori per anidride carbonica di tipo aperto capaci di operare nelle condizioni menzionate precedentemente. Tuttavia le alte pressioni in gioco rendono estremamente critico il problema della tenuta sull’albero.

Di conseguenza il design piu' fruibile sembra essere quello relativo ai compressori di tipo semi-ermetico ed ermetico, a seconda della taglia di impianto nel quale le macchine debbano essere installate.

Passiamo dunque ad analizzare piu' in dettaglio quelli che risultano essere i punti critici relativi al design dei compressori per CO₂.

L’anidride carbonica, come detto, ha una capacita' volumetrica specifica pari a 5-10 volte quella dei refrigeranti sintetici comunemente impiegati al giorno d’oggi. Ci dunque comporta sia volumi spostati inferiori dello stesso ordine di grandezza, sia pressioni differenziali da 5 a 10 volte piu' alte fra monte e valle del pistone. Di fatto piccoli alesaggi possono ridurre gli sforzi sulla biella ma, allo stesso tempo, comportano una quantita' di spazio limitata per scaricare le forze risultanti con conseguenti elevati carichi specifici sulle parti in moto. Punto di critico dimensionamento stata per esempio la progettazione dello spinotto e della relativa bronzina sul piede di biella.

Avendo approcciato inizialmente la progettazione di compressori monostadio, uno dei problemi di piu' difficile soluzione legato alle elevate temperature di mandata che si manifestano al crescere del rapporto di compressione. Ci ha portato alla scelta di materiali idonei a tali applicazioni per la realizzazione dell’assieme piastra valvole e all’impiego di lubrificanti caratterizzati da temperature di flash superiori ai 200C.

Gli oli di tipo poliestere sono estremamente solubili con l’anidride carbonica, specialmente alle pressioni che si manifestano nel carter del compressore in funzionamento transcritico, con conseguente diminuzione del potere lubrificante della miscela olio-refrigerante che si viene a formare. Considerando tale aspetto in combinazione con i problemi legati agli alti carichi meccanici si puo' ben comprendere la difficolta' incontrata nel dimensionamento e nella messa a punto dei compressori per CO₂.

Al giorno d’oggi la grande maggioranza dei compressori semiermetici a pistoni evolventi refrigeranti sintetici presenta una velocita' di rotazione di 1450 (1750) rpm, (50 o 60 hz), usando motori elettrici a quattro poli. Avendo ridotto i fenomeni legati alle pulsazioni di pressione (vedasi fig.3) stato possibile validare il design di compressori dotati di motori 2 poli impiegando la medesima piattaforma; ci ha portato dunque ad un rapporto prezzo/capacita' frigorifera estremamente favorevole. D’altro canto, l’impiego di velocita' di rotazione doppie ha portato a rendimenti volumetrici leggermente inferiori [Neksa et al., 2000].

Anche se i compressori per CO₂ operano con rapporti di compressione piuttosto moderati, tuttavia si ottengono differenze di pressione estremamente elevate. Di conseguenza un ulteriore elemento critico risultato essere la tenuta della piastra valvole, ottimizzata mediante un’opportuna geometria.

Sono attualmente state progettate due gamme di compressori, su due corpi differenti. La serie 300 (vedasi fig.4) divenuta affidabile grazie a test di usura estremamente selettivi; le prestazioni, in termini di efficienza volumetrica e isentropica sono inoltre di tutto rilievo, sia per i modelli monostadio che bistadio. Di fatto le proprieta' dell’anidride carbonica consentono di lavorare con temperature di evaporazione pari anche a –55C. Per tali applicazioni diviene dunque fondamentale prevedere modelli bistadio per ottenere livelli di performance accettabili [Rekstad et al.]; la gamma 300 dunque caratterizzata da:

• capacita' di operare in condizioni sia subcritiche che transcritiche

• modelli singolo e doppio stadio

• motori elettrici a due e quattro poli

• buona efficienza

• elevata affidabilita'

• Compressori monostadio:

Tutti i compressori progettati sono bicilindrici realizzati tramite la medesima fusione. La variazione del volume spostato ottenuta variando la corsa e mantenendo costante l’alesaggio. I compressori sono dotati di pompa dell’olio per realizzare una corretta lubrificazione; raccomandato l’impiego del raffreddatore dell’olio per garantire un grado di viscosita' ottimale al lubrificante impiegato.

In fig.5 viene riportato l’andamento dei rendimenti volumetrici e isentropici delle macchine monostadio.

• Compressori bistadio:

Come detto in precedenza, per applicazioni inerenti la refrigerazione spinta (temperature di evaporazione inferiori ai –30C) risulta necessario prevedere l’impiego di compressori bistadio. Tali modelli di macchine sono state realizzate impiegando il medesimo carter, aumentando l’alesaggio del cilindro di bassa pressione in modo che il primo stadio di compressione rimanga subcritico.

La gamma 300 prevede compressori per funzionamento sia subcritico che transcritico. I primi sono caratterizzati da volumi spostati compresi fra 5,1 m³/h e 18,8 m³/h e potenze installate comprese fra 6 kW e 18 e 18 kW mentre i secondi presentano volumi spostati compresi fra 3,5 m³/h e 10,7 m³/h e potenze installate comprese fra 4 kW e 15 kW.

Gli ottimi risultati ottenuti internamente in termini di affidabilita' hanno posto le basi per una prima fase di divulgazione del compressore che ha portato alla installazione di numerosi prototipi, principalmente in Giappone e nord-Europa, per diversi tipi di applicazione.

I campi di impiego che maggiormente interessano la tecnologia ad anidride carbonica sono:

• pompe di calore per acqua calda sanitaria
• impianti combinati (dove viene sfruttato lo scambio termico sia del lato di bassa che di alta pressione)
• essiccatori
• refrigerazione per supermarket (vetrine e stoccaggio di derrate alimentari)

I primi risultati ottenuti sono particolarmente incoraggianti; prendiamo due esempi come riferimento.

1) SUPERMERCATI:

E’ stato effettuato un confronto fra costi di installazione e costi di esercizio annuali fra due impianti capaci di fornire la medesima capacita' frigorifera; il primo a R404A in espansione diretta (il piu' economico della sua categoria), il secondo a CO₂.

L’analisi stata effettuata durante un intero anno solare e i risultati hanno mostrato come gli impianti a CO₂ presentino gia' al giorno d’oggi costi di installazione e costi di esercizio totalmente in linea con gli impianti a R404A [Girotto et al., 2003]; si prevedono comunque ampi margini di miglioramento legati all’implementazione di semplici accorgimenti impiantistici.

2) RISTORANTI:

Un altro paragone stato compiuto fra il consumo annuo di energia di due ristoranti della stessa taglia, situati alla medesima latitudine (in modo da rendere trascurabile l’influenza della temperatura ambiente sull’analisi condotta); uno dei due ristoranti era equipaggiato con un impianto combinato di refrigerazione e condizionamento evolvente solo refrigeranti naturali, deputato sia alla conservazione delle derrate che alla climatizzazione estiva e invernale degli ambienti (con compressori per CO₂ forniti da DORIN); il secondo disponeva di un sistema standard, quindi evolvente HFC. I risultati hanno mostrato come l’esercizio del primo impianto abbia portato ad un consumo energetico annuo inferiore del 12% rispetto al secondo con un conseguente coefficiente T.E.W.I. (Total Equivalent Warming Impact) inferiore del 27%. Tali risultati sono stati esposti, durante la recente conferenza "Refrigerants, naturally" tenuta a Bruxelles nel giugno 2004, da rappresentanti del DTI (Danish Institute of Technology) che hanno da vicino seguito l’installazione dell’impianto realizzato con refrigeranti naturali (http://www.refrigerantsnaturally.com/pps/DTI%20presentation.pps).

Referenze:

1. P.Neksa, F.Dorin, H.Rekstad, A.Bredesen: Development of two-stage semi-hermetic CO2 compressor. [Proceedings from IIF-IIR, Purdue University, USA – 2000]

2. H.Rekstad, P.Neksa, G.Pisano: Measurements on a 2 stage CO₂-compressor. [Proceedings from 6^th Gustav Lorentzen Natural Working Fluids Conference 2004, Glasgow, UK]

 Figure:

Fig.2: carichi termici di un compressore per CO2 mentre lavora con un elevato rapporto di compressione

Fig.3: Diagramma p-V per compressore monostadio 2 poli operante con rapporto di compressione pari a 4.2

Fig.5: Efficienza volumetrica e isentropica per compressore modello TCS362 2 poli