Anidride carbonica (CO₂)

Proprietà generali

Sulla base delle pure proprietà termodinamiche, la CO2 non è molto adatta come refrigerante. Tuttavia, la CO2 possiede diverse proprietà termofisiche peculiari:

  • Ottimo coefficiente di trasferimento di calore
  • Poca sensibilità alle perdite di pressione
  • Viscosità estremamente bassa

Nelle applicazioni pratiche, gli impianti a CO2 offrono prestazioni molto elevate grazie soprattutto al migliore scambio termico, a una ridotta potenza di pompaggio quando la CO2 è utilizzata come fluido secondario e, in condizioni climatiche fredde, alla possibilità di operare con una pressione di condensazione molto bassa in inverno.

L'efficienza degli impianti a CO2 dipende maggiormente dall'applicazione e dal clima rispetto agli impianti che utilizzano altri refrigeranti. Per tutti i refrigeranti si registra un calo di efficienza del sistema a fronte dell'aumento delle temperature di condensazione, e la CO2 rientra tra i refrigeranti con il calo più marcato. Le buone proprietà termofisiche della CO2 possono in parte compensare tale fenomeno, ma solo entro un certo limite.

La CO2 presenta un alto contenuto di energia alle temperature più elevate, e quando questo calore può essere riutilizzato per il riscaldamento dell'acqua sanitaria o per applicazioni simili, il grado di efficienza dell'intero sistema risulta particolarmente significativo.

Impatto ambientale

Dal punto di vista ambientale, la CO2 è un refrigerante molto interessante, con un ODP pari a zero e un GWP pari a 1. È una sostanza che si trova in natura ed è presente in abbondanza nell'atmosfera.

Pressione e temperatura

La CO2 è un refrigerante ad alta pressione per il quale sono necessarie alte pressioni di esercizio per un funzionamento efficiente. Durante un fermo macchina, la temperatura ambiente può raggiungere e superare la temperatura critica e la pressione può superare la pressione critica. Di conseguenza, i sistemi sono in genere progettati per resistere a pressioni fino a 90 bar, e talvolta sono persino dotati di una piccola unità condensante compatibile con il fermo macchina per mantenere basse le pressioni.

Al tempo stesso, la CO2 ha un basso rapporto di compressione (dal 20 al 50% in meno degli HFC e dell'ammoniaca), e ciò ne migliora l'efficienza volumetrica. Con temperature di evaporazione comprese tra -55 ºC e 0 ºC, la prestazione volumetrica della CO2 è ad esempio da quattro a dodici volte superiore a quella dell'ammoniaca, e ciò consente di utilizzare compressori con volumi generati ridotti.

Il punto triplo e il punto critico della CO2 sono molto vicini al campo di funzionamento. Il punto critico può essere raggiunto durante il normale funzionamento. Il punto triplo può essere raggiunto durante la manutenzione dell'impianto, e questo è indicato dalla formazione di ghiaccio secco quando le parti dell'impianto contenenti liquido sono esposte alla pressione atmosferica. Speciali procedure sono necessarie per impedire la formazione di ghiaccio secco in occasione dello sfiato del sistema durante la manutenzione.

Interazione con i materiali

La CO2 non reagisce con i metalli più comuni né con i componenti in Teflon®, PEEK o neoprene. Può tuttavia penetrare negli elastomeri e causare il rigonfiamento della gomma butilica (IIR), della gomma nitrile (NBR) e dei materiali in etilene-propilene (EPDM).

La densità della CO2 liquida è circa 1,5 volte superiore a quella dell'ammoniaca, con conseguente aumento della carica massica negli evaporatori, come nel caso dei chiller a piastre grandi negli impianti industriali di grandi dimensioni. Una maggiore densità significa una maggiore circolazione d'olio, che a sua volta richiede separatori d'olio efficaci per gli impianti industriali.

Efficienza dei costi

La CO2 è il sottoprodotto di diverse industrie, e ciò fa sì che il suo prezzo sia basso. Tuttavia, gli impianti a CO2 tendono a essere più costosi dei sistemi tradizionali, a causa delle pressioni più alte (nel caso degli impianti transcritici) o della complessità maggiore (negli impianti sia transcritici che subcritici). La complessità dei sistemi tende a diminuire con l'introduzione dei sistemi Booster e con l'aumento del numero di impianti a CO2, e l'esperienza mostra che il costo si avvicina a quello dei sistemi di riferimento che utilizzano gli HFC.

In secondo luogo, gli impianti a CO2 di grandi dimensioni, soprattutto nel settore della refrigerazione industriale, possono essere meno costosi da realizzare rispetto ai corrispettivi a glicole, e offrono quindi costi iniziali e del ciclo di vita più bassi.

Applicazioni

A differenza della maggior parte dei refrigeranti, la CO2 viene utilizzata nella pratica in tre diversi cicli di refrigerazione:

  • In subcritico (sistemi in cascata) 
  • In transcritico (impianti solo a CO2)
  • Fluido secondario (CO2 usata come fluido termovettore) 

La tecnologia utilizzata dipende dall'applicazione e dalla sede dell'impianto. Esistono diverse applicazioni per le quali la CO2 è una soluzione interessante e nelle quali essa è già ampiamente utilizzata oggi: 

  • Refrigerazione industriale. La CO2 generalmente è utilizzata in combinazione con l'ammoniaca, sia in sistemi in cascata sia come fluido termovettore 
  • Refrigerazione alimentare/refrigerazione per la vendita al dettaglio di prodotti alimentari
  • Pompe di calore
  • Refrigerazione da trasporto

Danfoss ritiene che la CO2 diventerà il principale refrigerante nei sistemi di refrigerazione commerciale multipack. Il regolamento sugli F-gas rappresenta una chiara spinta in questa direzione. 

Gli impianti a CO2 possono essere estesi anche al recupero termico. Spesso l'investimento supplementare necessario per recuperare il calore di scarto è trascurabile, come dimostrano numerosi casi.

Applicazioni a CO₂ nella vendita al dettaglio di prodotti alimentari e nella refrigerazione industriale

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Applicazioni a CO₂ nella vendita al dettaglio di prodotti alimentari

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