La Carbon Dioxide Alliance inizierà a costruire tra breve un interessante sistema a cascata subcritico commerciale, da collocare negli impianti di prova della Cool Concern nel Midlands, Regno Unito. Il diagramma semplificato mostra le tubazioni e i componenti dello stadio di bassa del sistema a cascata a CO₂ con connessioni (liquido e aspirazione) alla vetrina a bassa temperatura e connessioni R404A alla fase alta del sistema.

Sistema a cascata a CO₂

Il principio dei sistemi a cascata è molto semplice. Lo stadio di bassa dei sistemi a cascata (funzionanti con CO₂) invece di espellere il calore ad un condensatore d’aria o d’acqua fredda, lo rimanda ad un altro sistema di refrigerazione. Questo secondo sistema, oppure lo stadio alto della cascata, rimanda poi il calore ad un tradizionale condensatore ad aria o ad acqua. In parole povere, ci sono due sistemi di refrigerazione - uno toglie calore all’altro. Il condensatore a cascata è, nel nostro caso, uno scambiatore di calore a piastra con la CO₂ condensata attraverso l’evaporazione dell’R404A.

Il principio a cascata è stato ampliamente utilizzato nelle applicazioni a bassissime temperature, dove il lato basso del refrigerante ha un punto di ebollizione molto basso e perciò a normali temperature ambiente avrebbe una pressione molto alta. La stessa cosa succede con la CO₂ : per permettere di rimanere subcritica e a pressioni al di sotto dei 40 barg, si usa un sistema a cascata con una temperatura di condensazione di   
-10°C (26 barg).

Sul lato sinistro del diagramma si possono vedere i principali condotti d’aspirazione e di liquido installati su un sistema a CO₂.  Questi forniranno refrigerazione ad una vetrina a bassa temperatura con porta a vetro,  con un evaporatore ottimizzato DX (ad espansione diretta) CO₂  funzionante con una valvola ad espansione e un controllo. Sul lato destro del diagramma si può osservare l’entrata del liquido R404A nel raffreddatore/condensatore a cascata, e la tubazione di aspirazione. La fase di alta del sistema a R404A sarà una semplice unità condensata ad aria fredda e controllata probabilmente dalla pressione e temperatura della CO₂ nel ricevitore principale.  La parte restante del diagramma rappresenta lo stadio  basso della cascata del sistema a CO₂ che verrà trattata, nel presente studio, partendo dal  compressore. I principi sono identici per qualsiasi sistema a compressione di vapore con cui attualmente si lavora.

Il refrigerante CO₂  è compresso e mandato nel separatore d’olio. Lascia il separatore ed entra nel desurriscaldatore (uno scambiatore di calore a piastre). Il gas di scarico è desurriscaldato prima di entrare nel raffreddatore/condensatore a cascata per ridurre al minimo i rischi di danni da shock termico. Il refrigerante CO₂ è condensato nel raffreddatore/condensatore a cascata, con l’unica differenza che in un sistema tradizionale è condensato ad una temperatura di -10°C, ed è condensato attraverso l’evaporazione dell’R404A nello stadio alto della cascata. Il liquido condensato CO₂ lascia il condensatore/raffreddatore a cascata ed entra nel ricevitore del liquido, che agisce tradizionalmente come un regolatore per il refrigerante, a seconda delle richieste da parte delle valvole di espansione a flusso. Il condensatore, la tubazione della pompa di ritorno della condensazione, il ricevitore e la linea del liquido alla vetrina sono  ben isolati poiché il refrigerante rimarrà al di sotto della temperatura ambiente anche in inverno.

Continuando sul circuito frigorifero, la tubazione di uscita del liquido dal ricevitore ha un essiccatore standard in bypass e la linea del liquido corre attraverso uno scambiatore di calore tra la linea del liquido e l’aspirazione, che da una parte assicura la qualità del liquido alla valvola di espansione, e dall’altra surriscalda il gas d’aspirazione riducendo la possibilità di  ritorno del liquido. Il ritorno dell’aspirazione surriscaldata dalla vetrina ha anche un filtro d’aspirazione con un normale dispositivo bypass, e un accumulatore sull’aspirazione per proteggere il compressore infatti dovrebbe impedire il ritorno del liquido.

L’altro punto aggiuntivo rispetto ad un sistema normale è l’inclusione di valvole di non ritorno che by-passino le valvole a sfera nei condotti del liquido. Questo serve a prevenire l’accumulo di pressione idraulica, nel caso in cui il liquido CO₂ sia intrappolato tra le valvole di intercettazione. Il principio è semplice: tutte le valvole di ritegno NRV oltrepassano il condotto delle valvole sferiche l’una dopo l’altra, oppure fino a quando raggiunge una valvola limitatrice di pressione. In questo modo se il liquido è intrappolato si può depressurizzare tornando al ricevitore.

PARAMETRI OPERATIVI.

Pressioni e Temperature operative per le dimostrazioni di prova dei sistemi a cascata commerciali con CO₂:

. pressione d’aspirazione 15 barg

. temperatura satura d’aspirazione -26 °C

. pressione di condensazione 25 barg

. temperatura di condensazione -10°C

. Le diverse valvole di  sicurezza tarate con  pressione 40 barg (poi si aprano)