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CENTRO STUDI GALILEO

 

L'USO SEPARATO E COMBINATO DELL'AMMONIACA E DELL'ANIDRIDE CARBONICA NEI SISTEMI DI REFRIGERAZIONE

 

Klaas Visser - Kav Consulting Pty Ltd - Kangaroo Flat - Australia

I sistemi di refrigerazione ad ammoniaca sono ampliamente usati in molte industrie di processo alimentari come i centri di lavorazione della carne, di produzione di pesce e caffè, per la produzione di ortaggi surgelati, gli impianti di produzione del malto e birrifici, e per la produzione di gelati.

L’ammoniaca con le sue eccellenti proprietà sia termodinamiche, sia fisiche ha goduto di un uso continuo per un secolo e mezzo, e il suo successo non è stato influenzato dall’avvento dei CFC nei primi anni del 1930,  seguito poi dagli HCFC.

La CO2 è stata un refrigerante diffuso per circa 60 anni dal 1870 in avanti, ma il suo declino è iniziato con l’arrivo del CFC. Svariegaard ha mostrato che gli ultimi impianti a CO2 furono costruiti soprattutto per le applicazioni marine intorno agli ultimi anni del 1950. Vedi figura 1.

In questo documento si evidenzia che i sistemi di refrigerazione ad ammoniaca a due stadi applicati agli impianti industriali e i magazzini refrigerati sono più efficienti dei sistemi a cascata CO2/NH3 a temperature di evaporazione di circa -38°C  e oltre. Al di sotto di una temperatura di evaporazione di -38°C i sistemi di refrigerazione a cascata a CO2/NH3, per le stesse funzioni, si presentano più efficienti a livello energetico.

È anche dimostrato, che nel caso di impianti di refrigerazione a due stadi con un significativo stadio di alta e un significativo carico di condizionamento dell’aria, se serviti dallo stesso impianto di controllo, un sistema a cascata CO2/NH3 con espansione a CO2 sia per il raffreddamento che per il carico di condizionamento dell’aria è di circa il 5% più efficiente dal punto di vista energetico di un sistema ad ammoniaca a due stadi che utilizza glicole come refrigerante secondario.

Nel presente studio viene discusso l’uso di pompe di calore ad ammoniaca con un terzo stadio aggiunto ad un impianto ad ammoniaca a due stadi, oppure ad un sistema a cascata ad ammoniaca e CO2 e ne vengono rappresentate le caratteristiche di prestazione.

1. ntroduzione

 

In seguito al divieto progressivo del Protocollo di Montreal nel 1987 all’utilizzo dei CFC e HCFC, ci sono stati diversi sviluppi per ridurre la dipendenza dai refrigeranti chimici. Anche i moderni HFC sono sotto il controllo dell’EU per l’alto GWP.  Questo ha alimentato lo sviluppo di forme alternative di refrigerazione come il ghiaccio binario ice slurry, altri sistemi di refrigerazione indiretta con acqua refrigerata e salamoia refrigerata con HFC e l’uso di CO2 nei sistemi a cascata con ammoniaca quale refrigerante. Le prime applicazioni con CO2 furono promosse da Fuhrmann,  in Germania e Costan, in Italia a partire dal 1993 in avanti. Il maggior impulso arrivò quando il gigante globale dei prodotti alimentari Nestlè decise di convertire il proprio impianto per la liofilizzazione del caffè, a Hayes UK, da un sistema R22 a un sistema a cascata CO2/NH3  in collaborazione con la Star Refrigeration, Glasgow, Scozia.

I risultati ottenuti da questa installazione furono così incoraggianti che la Nestlè decise di installare un grande sistema a cascata CO2/NH3 nei nuovi centri di produzione di carne congelata a Jonesboro, TN, USA. Il principale motivo che portò in questa direzione in questo caso fu l’Occupational Health e Safety e la rigida regolamentazione sull’ambiente imposto dalle autorità negli USA nei confronti degli impianti ad ammoniaca con una carica superiore ai 4.500 kg.

Come Ciconkov mostra nella figura 2, l’utilizzo dell’ammoniaca è stabile negli anni, mentre la CO2 ha fatto un passo indietro da quando se ne diminuì l’utilizzo dopo la seconda guerra mondiale a causa dell’aumento dell’uso del CFC e del successivo HCFC. Ciò di cui abbiamo bisogno è molto chiaro: andare indietro verso il futuro.

 

2. Rispettive Prestazioni

Come è dimostrato da EWARDS nella tabella 1, i sistemi di refrigerazione ad ammoniaca industriale rientrano in un gran numero di progetti e configurazioni.


Figura 1 L'applicazione di vari refrigeranti negli impianti di refrigerazione alla Lloyds Register London


Figura 2: breve storia dei refrigeranti.

I fattori che influenzano le decisioni sul progetto finale dipendono dai  costi operativi, dall’affidabilità, dalla capacità di gestire i picchi di carico, dal consumo di acqua di raffreddamento, dalla salubrità e sicurezza del posto di lavoro, dalla salute pubblica, etc. Per i propositi della nostra discussione, considereremo sistemi gli impianti  di refrigerazione con refrigerante pompato.

Tabella 1.   Raffronto tra sistemi di refrigerazione ad ammoniaca

Tipo di sistema

Vantaggi

Svantaggi

Sistema di espansione a secco

Costi bassi.

Dimensione piccola delle tubazioni.

Nessun isolamento del condotto del liquido.

Bassa carica di ammoniaca.

Alto costo di funzionamento.

Uso di valvole ad espansione termostatica o elettronica.

Efficienza bassa dell’evaporatore ( necessità di surriscaldamento).

Disposizione speciale per il defrost.

Nessuna protezione del  compressore dal ritorno del liquido.

Non adatto per magazzini con alta umidità.

Richiede olio costoso.

Alto costo di defrost.

Sistema ad allagamento

(separatore di liquido)

Basso costo.

Trasferimento di calore efficiente.

Importante carica di ammoniaca.

Necessità di un livello di guardia nell’evaporatore per i separatori di liquido.

Difficoltà di scongelare il drenaggio dell’olio.

Sistema di ricircolo con pompa

Efficiente, affidabile, flessibile.

Piccole differenze di temperature.

Costi più bassi della trazione meccanica.

Olio facile da recuperare.

Facile  defrost.

Importante carica di ammoniaca

Costo capitale iniziale più alto.

Sistema con ricevitore a bassa pressione - con  alimentazione liquida ad alta pressione

Basso costo.

Bassa carica di ammoniaca.

Sistema semplice.

Facile recupero dell’olio.

Facile defrost.

Difficoltà di distribuzione in situazioni di multicanali.

No ricevitore sull’alta pressione.

Sistema con ricevitore a bassa pressione, circolazione a pompa

Come per il sistema con pompa di ricircolo ma con un costo più basso

No ricevitore sull’alta pressione.


Figura 3: variazione del COP utlizzando NH3 a diverse temperature di aspirazione e di condensazione a singolo o doppio stadio.


Figura 4: confronto del COP dei sistemi a due stadi NH3, CO2/NH3 a cascata e NH3 con economizzatore

Cleland e Cleland (1996) ha sviluppato un diagramma dei COP per gli impianti ad ammoniaca a singolo e a doppio stadio come mostra la figura 3. Gebhardt (2004) ha presentato il COP di sistemi con economizzatore e quelli a due stadi a NH3 con scambiatore intercooler e sistemi a cascata CO2 /NH3  come è illustrato nella figura 4.

È chiaro che l’impianto NH3  a due stadi è più efficiente con una temperatura di evaporazione al di sopra dei  -38°C circa. Il miglioramento della prestazione della CO2  con una temperatura di evaporazione al di sotto dei -38°C è dovuta a tre fattori:

1-      Efficienze volumetriche ed isentropiche sempre maggiori , con una riduzione di temperatura d’evaporazione relativa al NH3 come è mostrato da Stoecker nelle figure 5 e 6.

2-      Una perdita molto ridotta del punto di saturazione in ebollizione per un’equivalente perdita di pressione della tubazione come è mostrato da Patterson

 


Figura 5: efficienze volumetriche relative di un compressore alternativo con CO2, R22 e NH3

Qui di seguito è stata esaminata e valutata la situazione di un impianto reale con il fine di determinare quale sia il sistema migliore da usare.

 

3. Dimensioni dell’impianto e condizioni di funzionamento

Nella tabella 2, le condizioni di progetto dei carichi termici per il caso di condizionamento dell’aria di un ufficio, le potenze di raffreddamento, refrigerazione e congelamento, per un impianto adibito alla  produzione della carne, sono riassunte assieme alle temperature di funzionamento richieste per il raggiungimento e mantenimento di una temperatura a bulbo secco di +38°C (di +23°C a bulbo umido).

Nella tabella 3 abbiamo definito i diversi tipi di refrigeranti, con le temperature dell’acqua refrigerata e del glicole necessarie per raggiungere le condizioni operative specificate nella tabella 2. Nel caso del sistema a cascata CO2/NH3, noi useremmo un sistema con pompa di ricircolo CO2 per tutti i carichi termici di raffreddamento e di refrigerazione, acqua refrigerata per le funzioni e le strutture di condizionamento d’aria, e la espansione diretta per celle frigorifere, per il funzionamento con corrente d’aria di raffreddamento e congelamento. Vedere Figura 7.  

Nel caso degli impianti ad ammoniaca a due stadi, la climatizzazione degli uffici e dei locali di servizio potrebbe essere effettuata con acqua fredda refrigerata mediante il ritorno del glicole, le zone di processo ad alta occupazione sono refrigerate attraverso il glicole, e il resto dei carichi collegati allo stadio di alta e di bassa sarebbero coperti dalla pompa di ricircolo dell’ammoniaca. Vedi figura 8.

Tabella 2.   Carico di refrigerazione e Potenza del motore

 

Zona refrigerata e caratteristiche del sistema

Temperatura di funzionamento °C

Potenza di refrigerazione, kW

Refrigerato mediante

Uffici  e strutture con  Aria Condizionata

+22 e +24

400

Acqua refrigerata

Raffreddamento delle zona di processo

+4

2000

Glicole

Refrigeratori, celle frigorifere e bacini

2, 5  e 10

1000

NH3 espansione diretta o CO2

Magazzini frigoriferi, congelatori e raffreddatori

1 primo stadio

2 stadio di alta x 1.25

 

da -20  a -25

 

 

 

500

625

 

 

 

NH3 espansione diretta o CO2

Potenza richiesta aggiuntiva

 

500

 

Capacità stadio di alta

 

4025

 

Fattore di diversità presunto, stadio di alta

 

0,8

 

Capacità richiesta dallo stadio di alta del compressore

 

3220

 

 

 

Tabella 3. Metodo di impianto di condensazione, carichi refrigerati, camera climatizzata
Condizioni e temperature del refrigerante secondario

Caratteristiche  Sistemi a cascata con CO2/NH3 2 stadi di NH3 e Glicole
1 Metodo di condensazione    
  1 condensazione ad aria fredda si no si no
  2 condensazione ad acqua fredda parte si parte si
2 Carichi di refrigerazione KW    
  1 carica stadio d'alta 3,220 3,220 3,220 3,220
  2 i frigorifei a bassa temperatura e congelatori 500 500 500 500
3 Condizioni operative    
  1 AC SST, °C SST (Temperatura saturazione all'aspirazione) -2.5 -2.5 -10 -10
  2 stadio di alta SST, °C -8.0 -8.0 -10 -10
  3 stadio di bassa SST, °C -30 -30 -32.5 -32.5
  4 SCT (Temperatura di saturazione alla condensazione) +35 +35 +35 +35
    1 progetto        
    2 media annuale +30 +28 +30 +28
  5 % tempo acqua in funzione 25 100 25 25
4 Refrigerante secondario    
  1 Fornitura H2O fredda °C +6 +6 +6 +6
  2 Ritorno H2O fredda °C +12 +12 +12 +12
  3 Fornitura di salamoia °C - - -6 -6
  4 Ritorno salamoia °C - - 0 0

*** *** ***

Nel caso degli impianti ad ammoniaca a due stadi, la climatizzazione degli uffici e dei locali di servizio potrebbe essere effettuata con acqua fredda refrigerata mediante il ritorno del glicole, le zone di processo ad alta occupazione sono refrigerate attraverso il glicole, e il resto dei carichi collegati allo stadio di alta e di bassa sarebbero coperti dalla pompa di ricircolo dell’ammoniaca. Vedi figura 1

Nella tabella 1 abbiamo valutato l’energia elettrica e il consumo d’acqua di entrambi i sistemi per un totale di 5700 ore annue equivalenti al funzionamento a pieno carico, per esempio il 65% del tempo nell’arco di un anno.

Poiché la possibilità di utilizzare acqua  in abbondanza rappresenta un grande problema in diverse nazioni, abbiamo stabilito il consumo idrico per un raffreddamento totalmente ad acqua mediante un condensatore evaporativo, e raffreddamento ad aria con raffreddamento parziale ad acqua, attraverso un raffreddamento ad aria con pre-raffreddamento con pannelli evaporativi refrigerati.  Il problema energetico qui è il consumo di energia delle ventole dei condensatori assistiti da aria raffreddata in modo adiabatico i cui picchi di carico, che col carico di picco consumano il 150% in più di energia delle ventole e delle pompe per condensatori con un’equivalente capacità evaporativa. C’è anche il problema del raffreddamento dell’olio usato per i compressori a vite e in questo modo l’olio raffreddato sarebbe usato in tutti i casi. Abbiamo preso in considerazione tutti i refrigeranti, il raffreddamento ad acqua e le pompe per il  glicole, tutto ciò che genera anche carichi di calore parassita.

4. Pompa di calore con ammoniaca

In molte industrie di lavorazione alimentare sono richiesti sistemi simultanei di riscaldamento e raffreddamento. Vedi Tabella 2

Questo comporta l’uso di pompe di calore ad ammoniaca quando una sorgente di calore è richiesta in altre parti del processo.

Nella figura 3, l’impianto a cascata di CO2/NH3 mostrato nella figura 1 è espanso per incorporare un compressore per pompa di calore (15), che include il recupero di calore (14) per desurriscaldare i gas di mandata provenienti dal compressore per refrigerazione (1), per evitare una temperatura di mandata troppo alta sul compressore con pompa di calore ad ammoniaca (15). Per evitare che l’ ammoniaca liquida condensata entri nell’aspirazione del compressore della pompa di calore si raccomanda che il compressore della pompa di calore lavori con un surriscaldamento in aspirazione di 5-10K. Ciò si attua con un corretto controllo del flusso d’acqua.

Prendendo in esame il sistema, dal 10 fino al 20% del calore disperso totale generato dal compressore per la refrigerazione ad ammoniaca potrebbe essere recuperato nel desurriscaldatore. Con i compressori a vite con raffreddamento a termosifone, il calore totale disperso non cambia ma meno calore è recuperato nel desurriscaldatore. Con il raffreddamento ad acqua il carico di raffreddamento dell’olio confluisce nella pompa di calore. La prestazione della pompa di calore di un tipico compressore ad ammoniaca ad alta pressione è illustrata nella Tabella 4.

5. Conclusioni

Facendo riferimento alla figura 4 nella prima parte, è chiaro che i sistemi a cascata con CO2/NH3 sono più efficienti energeticamente con temperature di evaporazione al di sotto di circa -38°C  nel congelamento, e nei magazzini frigoriferi a bassa temperatura. Questo risultato ha bisogno di essere trattato attentamente poiché ci sono due problemi di ottimizzazione di consumo energetico. Primo, nel caso di celle di congelazione, c’è il problema delle carichi parassiti delle ventole. Vedi Visser (2009). Secondo, c’è la questione del più economico interstadio, che è ad un livello più alto con i sistemi CO2/NH3 rispetto a quelli a due stadi NH3.

Facendo riferimento alla tabella 1, è chiaro che in questo caso i sistemi a cascata CO2/NH3 sono più efficienti a livello energetico rispetto ai sistemi ad ammoniaca a due stadi, sia nel caso di condensatori raffreddati ad aria sia nel caso di quelli evaporativi. Questa differenza è ampiamente dovuta alla  fase di scambio di calore extra richiesto per generare glicole d’acqua ad una temperatura di -6°C, per il raffreddamento di aree di processo ad elevata occupazione nel casi di ammoniaca a due stadi. Nel caso della CO2 con pompa, è accettabile il raffreddamento diretto a CO2,  è importante prevedere un adeguato rilevamento di perdita di CO2 nell’ambiente di lavoro.

Non ci sono dubbi che usare una fase della pompa di calore con ammoniaca, piuttosto che mandare di vapore di mandata a un condensatore è altamente vantaggioso. Vedi tabella 4 e 5. I COP del riscaldamento elencati nella tabella 5 sono apparenti, siccome includono i crediti per le ventole dei condensatori e le pompe non funzionanti e il vantaggio del liquido sotto raffreddato proveniente dal condensatore ad ammoniaca della pompa di calore da 68°C a 35°C. Vedi Tabella 4, punto 9. Vedi tabella 3 per la temperatura di condensazione satura del compressore a 30°C con un BkW COP di 4.99.

L’autore non ha esaminato in questo caso il problema del punto di operatività più economico “Most Economical Operating Point” (MEOP). Il MEOP di una pompa di calore come questa si ha quando l’energia complessiva d’entrata nel sistema è  minima per il massimo profitto, per esempio il più alto COP combinato. C’è un pericolo che la temperatura di condensazione dello stadio di alta aumenti per massimizzare la capacità della pompa di calore. Ma questo riduce il COP del compressore per refrigerazione, mentre aumenta il COP della pompa di calore. Quando questo accade, c’è la possibilità che l’energia risparmiata dalla pompa di calore sia aiutata dal compressore per refrigerazione. Questa sovvenzione energetica dovrebbe essere evitata.

C’è la tendenza nella nostra industria di valutare il COP nell’energia generata dal driver del compressore, per esempio BkW. Non c’è niente che non va in questo, purché si capisca che il consumo attuale energetico è di circa del 15% più alto per la trasmissione di energia dell’impianto e per le perdite del motore. Vedi Tabella 5