Refrigeranti HFC a basso GWP per impianti frigoriferi fissi

A causa delle crescenti preoccupazioni riguardanti l'impiego di refrigeranti ad alto potenziale di riscaldamento globale (GWP), sono stati sviluppati ultimamente nuovi fluidi di lavoro sintetici che offrono prospettive positive sia di elevate prestazioni termiche come pure di basso impatto ambientale. Questi materiali sono in grado sia di mantenere l'alto livello di efficienza di cui siamo diventati abituati con i refrigeranti fluorocarburi come pure di offrire una notevole riduzione del loro GWP rispetto agli attuali HFC. Essi mostrano anche caratteristiche di infiammabilità notevolmente inferiori rispetto agli idrocarburi molto più infiammabili. Viene qui presentata un'ampia disamina sulla sostituzione dei refrigeranti normalmente impiegati negli impianti autonomi e di chiller che impiegano scambiatori di calore ad espansione diretta e di tipo allagato. Vengono sottoposte le loro priorità chimiche e fisiche come pure i risultati sperimentali ottenuti sul macchinario rappresentativo
Figura 1 – Risultati in fase di raffreddamento (aria esterna a 35 °C)

Come già noto, sono state identificate recentemente due nuove molecole di refrigeranti a basso GWP, e cioè HFO-1234yf  e HFO-1234ze.
Queste molecole sono delle oleifine idrofluorate (HFO) ed è stato scoperto che esse offrono un potenziale di riscaldamento globale (GWP) estremamente basso pari a soli 4 ÷ 6 (in confronto al 1430 del HFC-134a). Inoltre, è in via di sviluppo un’altra molecola di refrigerante a basso GWP (< 10) che offre delle proprietà tali da poterla impiegare nei gruppi chiller a bassa pressione (centrifughi).
Oltre a quanto sopra, sono in via di sviluppo e di valutazione delle miscele refrigeranti che mettono in equilibrio gli attributi di maggiore capacità e di basso GWP mantenendo, nello stesso tempo, l’efficienza tipica degli impianti frigoriferi attuali senza significativi aumenti del costo dell’impianto.
Nello studio sono presentate le proprietà e le applicazioni delle opzioni di refrigeranti potenziali adatti per impianti fissi di condizionamento d’aria e pompe di calore.

Tabella 1 – Proprietà dei vecchi e nuovi fluidi di lavoro

 Refrigerante  GWP PEL(ppm) LFL/UFL(vol. %/23°C)
R-134a 1430 1000
HFO-1234ze 6 1000
HFO-1234yf 4 500 6.2-12.3
HDR-14 <10 TBD
R-32 675 1000 14.4-29.3
R-600a ~ 800 1.8-8.5
R-290 ~ 1000 2.1-10.0

Fluidi di lavoro
Nella Tabella 1 sono riportate le nuove potenziali molecole a basso potenziale di riscaldamento globale come pure, per confronto, le vecchie ad alto GWP (R-134a). In  questa tabella sono altresì riportati i parametri di PEL (Limite Ammissibile di Esposizione) come pure i parametri di LFL (Limite Inferiore di Infiammabilità) e di UFL (Limite Superiore di Infiammabilità).
Nella valutazione generale occorre sempre tener presente che i fluidi che offrono buone prestazioni in determinate applicazioni dove viene impiegato normalmente l’R-134a, non hanno necessariamente le stesse buone prestazioni in altre applicazioni quali possono essere le pompe di calore in cui è necessario avere una maggiore capacità volumetrica, una maggiore pressione di esercizio e altre distinte proprietà.
È per questa ragione che sono attualmente in via di sviluppo delle miscele frigorigene che sono più idonee per applicazioni nelle pompe di calore e altri apparecchi frigoriferi. In aggiunta alle molecole refrigeranti indicate più sopra, è in via di sviluppo un altro refrigerante a singolo componente, con il nome in codice di HDR-14 adatto per i gruppi chiller a bassa pressione (centrifughi) e per altre applicazioni simili.
Questa molecola ha un GWP molto basso, inferiore a 10 e non è infiammabile. Altre miscele con GWP molto inferiore a quello dei refrigeranti attuali è pure in via di sviluppo (le sue proprietà sono riportate nella Tabella 2). Queste miscele hanno caratteristiche operative molto simili a quelle di R-404A, R-22 e R-410A. Anche se le miscele possono essere formulate con un GWP inferiore a 150, è necessario compiere una disamina delle loro prestazioni per poterlo ottenere.  Le miscele che hanno un GWP maggiore di 150 possono  avere ancora una migliore prestazione rispetto ai refrigeranti esistenti potendo offrire una forte riduzione che va dal 75% al 95%.

Tabella 2 – Opzioni di refrigeranti Honeywell

Refrigeranti attuali Serie N (ridotto GWP)(A1) Serie L (minore GWP)(A2L)
R-404AGWP = 392 Miscela HFO-GWP~1300 (retrofit)Miscela HFO-GWP~1000 (nuovi impianti) Miscela HFO-GWP-200-300

 

R-407C/HFC-22GWP = 1774/1810 Miscela HFO-GWP~1000

 

Miscela HFO-GWP < 150Miscela HFO-GWP > 400

 

HFC-134aGWP = 1430 Miscela HFO-GWP~600 HFO-1234yfGWP=4HFO-1234zeGWP=6

 

R-410AGWP = 2088 Miscela HFO-GWP<500

 

Applicazioni della pompa di calore con R-410A di base
A titolo di confronto è stato effettuato un esperimento su una pompa di calore a ciclo reversibile tipo split (o RAC) a R-410A completa di variatore di velocità (inverter a corrente continua) con capacità frigorifera nominale di 4 kW e un COP di 3,7. La capacità di riscaldamento nominale era di 5 kW con un COP di 4,33. Le condizioni di esercizio sono state basate sullo standard ISO5151 e sono riportate nella Tabella 3.

Tabella 3 – Condizioni di prova per la valutazione della pompa di calore con R-410A di base

Condizioni operative (fase raffreddamento)
Condizioni di prova Temperatura interna Temperatura esterna Velocità compressore
BS (°C) BU (°C) BS (°C) BU (°C)
Raffredd.-01 (T1 nom.,clima temp.) 27 19 35 24 Nominale
Raffredd.-02 (T2 intermedio) 27 19 35 24 50%
Raffredd.-03 (T2 nom.,clima freddo) 21 15 27 19 Nominale
Raffredd.-04 (T3 nom.,clima caldo) 29 19 46 24 Nominale
Condizioni operative (fase riscaldamento)
Condizioni di prova Temperatura interna Temperatura esterna Velocità compressore
BS (°C) BU (°C) BS (°C) BU (°C)
Riscald.-01 (alta temp., nominale) 20 < 15 7 6 Nominale
Riscald.-02 (alta temp., intermedia) 20 < 15 7 6 50%
Riscald.-03 (bassa temp., nominale) 20 < 15 2 1 Nominale
Riscald.-04 (ultra bassa temp., nom. 20 < 15 – 7 – 8 Nominale
Figura 2 – Risultati in fase riscaldamento (aria esterna a 7 °C)

Risultati prestazionali della pompa di calore con R-410A di base
Questa pompa di calore è stata testata sperimentalmente per le condizioni indicate nella Tabella 3 e con i refrigeranti alternativi L-41 e R-32. Tutte le prove sono state effettuate all’interno di camere ambientali complete di strumentazione in grado di misurare i parametri sia sul lato aria che sul lato refrigerante. Le portate di refrigerante sono state rilevate impiegando un misuratore di portata del tipo Coriolis mentre le portate d’aria e le capacità frigorifere sono state misurate mediante un tunnel aria-entalpia.
Tutti i sensori di simulazione primaria sono stati calibrati fino a ± 0,15 °C per le temperature e fino a ± 0,015 bar per  la pressione. La tolleranza di precisione per la capacità e l’efficienza è stata in media del ± 5%.
I valori della capacità rappresentano le misurazioni lato aria che sono state calibrate accuratamente impiegando il fluido di riferimento (R-410A).
In questa unità è stato testato anche il fluido L-41 insieme con l’R-32 mantenendo l’R-410A come linea di base. Le Figure 1 e 2 riportano i risultati delle prove sulla pompa di calore per due condizioni rappresentative e cioè 35 °C ambiente per il raffreddamento e 7 °C  ambiente per il riscaldamento.
I risultati con L-41 mostrano una migliore efficienza sia in fase di raffreddamento che di riscaldamento relativamente alla linea base del refrigerante R-410A, anche se la capacità alla velocità volumetrica del compressore risulta inferiore.
Per quanto riguarda la capacità sarebbe necessario incrementare leggermente la cilindrata del compressore per raggiungere la linea base di refrigerante.
Per valutare le prestazioni ottenibili con un compressore più grande è stata fatta aumentare di circa il 10%  la velocità del compressore ripetendo le prove.
I risultati di capacità ed efficienza cosi ottenuti sono stati riportati e indicano che è stata raggiunta la linea base.
Anche se la capacità e l’efficienza del R-32  non collimano con quella del R-410A, la temperatura di scarico di questo refrigerante è notevolmente più elevata di quella del R-410A e del L-41, come si può vedere nella Figura 3.
Queste particolari temperature possono essere di minore importanza, ma occorre tener presente che le prove sono state effettuate a temperature non troppo elevate. Nel caso di temperature molto elevate si possono avere dei problemi.
Un’altra considerazione è la condizione del condensatore poiché tutte queste prove sono state fatte con un condensatore nuovo con la batteria perfettamente pulita mentre, di solito, si ha a che fare con una superficie sporca o intasata.

Valutazione del refrigerante alternativo al R-410A
Nel suo insieme, il nuovo refrigerante L-41 mostra un sicuro potenziale di poter sostituire l’R-410A poiché le sue prestazioni gli sono molto vicine e le piccole differenze che sono apparse possono essere eliminate facilmente mediante minimi cambiamenti dell’impianto frigorifero.
Queste prestazioni possono essere ottenute senza alcun riguardo all’elevata temperatura di scarico e offrendo un valore del GWP inferiore a 500, che significa una riduzione di più del 75% rispetto al GWP del R-410A.

Valutazione sulla pompa di calore con R-407C di base
A titolo di confronto, è stato effettuato un esperimento su una pompa di calore unitaria a ciclo reversibile di tipo canalizzato a R-407C, con capacità frigorifera di 10,5 kW ed efficienza nominale di 13 SEER (COP stagionale di 3,8), e con capacità di riscaldamento di 10,1 kW e usando un HSPF di 8,5 per questa valutazione.
Questa pompa di calore era stata progettata in origine per funzionare per R-22 salvo poi convertirla per R-407C che, quindi, serve ora come linea base di refrigerante.
Il refrigerante R-407C è stato scelto a causa della eliminazione del R-22 nei nuovi impianti di molti paesi e per il fatto che esso è stato adottato come suo sostituto in molti tipi di macchinari frigoriferi.
Insieme al R-407C, sono stati valutati altri tre refrigeranti alternativi ovvero L-20 e N-20 che sono riportati nella Tabella 2 unitamente al L-20.
Il refrigerante N-20 è una miscela non infiammabile che ha un GWP inferiore a 1000,  mentre il refrigerante L-20 presenta una leggera infiammabilità con una classificazione della stessa pari a “2L” ma offre un valore di GWP che è più basso di 150. Il refrigerante L-20 è un’altra opzione che presenta un GWP inferiore a 400 (riduzione di più del 80% rispetto al GWP del R-407C) e che offre delle caratteristiche prestazionali quasi identiche a quelle del R-407C.

Tabella 4 – Condizioni di prova per la valutazione della pompa di calore con R-407C di base

Condizioni operative in fase di raffreddamento
Condizioni di prova Temperatura interna Temperatura esterna
BS (°C) BU (°C) BS (°C) BU (°C)
AHRI Std. A 26.7 19 35 24
AHRI Std. B 26.7 19 27.8 18
AHRI Std. C 26.7 14 27.8
AHRI Std. MOC 26.7 19 46.1 24
Condizioni operative in fase di riscaldamento
Temperatura interna Temperatura esterna
BS (°C) BU (°C) BS (°) BU (°C)
AHRI Std. H1 21.1 15.6 8.3 6.1
AHRI Std. H2 21.1 15.6 1.7 0.6
AHRI Std. H3 21.1 15.6 -8.3 -9.4

Tutte le prove sono state effettuate all’interno di camere ambientali complete di strumentazione in grado di misurare i parametri sia sul lato aria che sul lato refrigerante. Le portate di refrigerante sono state rilevate mediante un misuratore di portata di tipo Coriolis mentre le portate d’aria e la capacità frigorifera sono state misurate impiegando un tunnel entalpia-aria progettato in base agli standard dell’industria. Tutti i sensori di misurazione primaria sono stati calibrati fino a ± 0,15 °C per le temperature e fino a 0,015 bar per la pressione.  Le tolleranze di precisione per la capacità e l’efficienza sono state in media del ± 5%.

Figura 3 – Confronto fra temperature di scarico

Risultati delle prove in fase raffreddamento
La Tabella 5 riporta i risultati ottenuti su questa pompa di calore in fase di raffreddamento, con le prove effettuate alle condizioni indicate nella Tabella 4.
Tutti i tre refrigeranti alternativi hanno mostrato delle efficienze di raffreddamento allo stesso livello, o leggermente superiori, a quelle del R-407C, mostrando anche delle temperature di scarico più basse. Il refrigerante L-20 ha uguagliato anch’esso la capacità frigorifera del R-407C. Il refrigerante L-20+ avrebbe bisogno di un compressore di cilindrata leggermente superiore in modo da controbilanciare il 10% di minore capacità, mentre il refrigerante N-20 è molto vicino ad uguagliare la capacità del R-407C.

Tabella 5 – Risultati delle prove in fase di raffreddamento

Fase di raffreddamento
Refrigerante AHRI-Std Capacità EER Portatamassica Temp. cond. Temp.evap. Temp.scarico Pd/Ps
% R-407C % R-407C % R-407C % R-407C % R-407C °C % R-407C
R-407C A 100% 100% 100% 100% 100% 76 100%
B 100% 100% 100% 100% 100% 66 100%
L-20 A 90% 105% 84% 100% 103% 70 99%
B 88% 101% 84% 100% 103% 62 98%
L-20+ A 101% 101% 77% 101% 99% 82 101%
B 100% 100% 77% 102% 99% 71 100%
N-20 A 93% 104% 106% 98% 104% 65 94%
B 94% 104% 105% 98% 103% 57 94%

Risultati delle prove in fase di riscaldamento
Nella Tabella 6 sono riportati i risultati delle prove effettuate in fase di riscaldamento, con valori molto simili a quelli ottenuti nella fase di raffreddamento. Anche in questo caso, il refrigerante L-20+ ha mostrato una capacità di riscaldamento e una efficienza prestazionale quasi identica a quella del R-407C. Così pure è stato per gli altri candidati per quanto riguarda l’efficienza ma con una capacità leggermente inferiore.

Tabella 6 – Risultati delle prove in fase di riscaldamento

Fase di riscaldamento
Refrigerante AHRI-Std Capacità COP Portata massica Temp.condens. Temp.evap. Temp.scarico Pd/Ps
%  R-407C % R-407C % R-407C % R-407C % R-407C °C % R-407C
R-407C H1(8.3/21.1) 100% 100% 100% 100% 100% 75 100%
L-20 H1(8.3/21.1) 87% 104% 84% 104% 97% 66 93%
L-20+ H1(8.3/21.1) 102% 101% 77% 100% 103% 85 102%
N-20 H1(8.3/21.1) 97% 99% 106% 95% 102% 68 105%

Analisi di valutazione sui refrigeranti alternativi al R-407C
Sono state effettuate delle prove di valutazione su tre refrigeranti alternativi a basso GWP. Il refrigerante L-20, che ha un GWP inferiore a 150 (pari a > 90% di riduzione rispetto al R-407C) ha offerto una efficienza frigorifera paragonabile a quella del R-407C con solo una leggera riduzione di capacità che può essere facilmente colmata con pochi cambiamenti dell’impianto.
L’ altro refrigerante alternativo L-20+ offre una capacità e una efficienza simili a quelle del R-407C , ma con una riduzione del 80% del GWP.
Infine il refrigerante N-20, che è una opzione non infiammabile e comporta una riduzione di più del 45% del GWP, ha offerto una efficienza simile e una leggera riduzione della capacità.

Applicazione dei nuovi refrigeranti su un chiller centrifugo
È stata pure effettuata una analisi progettuale di un compressore centrifugo funzionante con refrigeranti a media e bassa pressione adottando approcci specifici di velocità e diametro con il metodo Biederman & alias (2004), in modo da dimensionare dei compressori di tipo monostadio con refrigeranti alternativi a basso GWP. Impiegando la stessa velocità specifica (0,76) e lo stesso diametro specifico, si ricava la risultante velocità del compressore N ed il diametro D con le seguenti relazioni:

H 0,75                                                                                                       Q

N = 0,76 ______       (1a)                                  D = 3.4 ______          (1b)

Q                                                                H 0,25

 

dove:

H = aumento dell’entalpia isoentropica in J/kg oppure “Head”, in m

Q = portata volumetrica in m³/s

È stata fatta l’analisi di ciclo ed il dimensionamento per due serie di refrigeranti e cioè a pressione media adatta per i chiller che funzionavano con CFC-11 o HFC-123. Per entrambe le applicazioni, è stata assunta la stessa capacità frigorifera di 1760 kW, con delle temperature di evaporazione e di condensazione di 5°C e 35°C rispettivamente.
Queste analisi di ciclo hanno fornito i valori dell’aumento di entalpia isoentropica e di portata volumetrica che sono necessarie per determinare la velocità del compressore ed i diametri della sua girante, sempre impiegando le relazioni 1a e 1b.

Applicazione dei refrigeranti su un chiller a media pressione
La Tabella 7 riporta i risultati delle prove con i refrigeranti a media pressione.

Tabella 7 – Dimensionamento del compressore centrifugo con i refrigeranti a media pressione

  Refrigeranti
Parametri Unità R-12 R-134a 1234ze(E) 1234yf N-13
Delta h, evap.Delta hs, comp.

Pressione

Mdot

Densità

Vdot

kJ/kgkJ/kg

m

kg/s

kg/m3

m3/s

120.9215.1

1540

14.56

20.84

0.70

152.4919.31

1969

11.54

17.13

0.67

140.0119.13

1743

12.57

13.64

0.92

118.2618.73

1910

14.88

20.74

0.73

138.9517.80

1815

12.67

17.34

0.73

N (velocità girante)D (diametro girante) Giri/1’m 118280.256 144850.237 112960.286 136000.248 130900.251
u2 (velocità periferica)Pr (rapporto pressione) m/s- 1592.34 1802.54 1692.60 1772.40 1722.52
COP 8.01 7.90 7.87 7.58 7.80
COP ref.a R-134a 101.4% 100.0% 99.6% 95.9% 98.7%

Significato dei parametri:

Delta h evap.    = variazione entalpia nell’evaporatore (hJ/kg)

Delta hs, comp.            = variazione entalpia nel compressore (kJ/kg)

Pressione                     = aumento pressione nel compressore (m c.a.)

Mdot                          = portata massica (kg/s)

Vdot                          = portata volumetrica (m³/s)

N                             = velocità girante (giri/1′)

D                             = diametro girante (m)

u2                            = velocità refrigerante

Pr                            = rapporto pressione (-)

Questi risultati mostrano che tutti i tre refrigeranti alternativi (1234ze(E)/1234yf/N-13) potrebbero essere applicati ad un compressore centrifugo progettato inizialmente per R-134a applicando solo pochi e semplici cambiamenti. Se si adottassero la stessa velocità e lo stesso diametro, la velocità specifica ed il diametro rimarrebbero, nella maggior parte dei casi, nel campo ottimale di funzionamento di questi parametri. Il campo operativo del compressore dovrebbe essere valutato in modo da assicurare un funzionamento affidabile nelle condizioni richieste per il particolare chiller.
Il grado di efficienza è molto vicino a quello del refrigerante di base.

Applicazioni dei refrigeranti su un chiller a bassa pressione
La Tabella 8 riporta i risultati delle prove con i refrigeranti a bassa pressione.

Tabella 8 – Dimensionamento del compressore centrifugo con i refrigeranti a bassa pressione

Parametri Unità Refrigeranti
R-11 R-123 R-245fa HDR-14
Delta h  evap.Delta hs, compr.

Pressione

Mdot

Densità

Vdot

kJ/kgkJ/kg

m

kg/s

kg/m3

m3/s

161.7119.02

1939

10.88

3.01

3.61

149.0418.09

1844

11.81

2.76

4.28

162.3220.19

2058

10.84

3.96

2.74

165.4419.85

2023

10.64

3.44

3.09

N (velocità girante)D (diametro girante) Giri/1’m 618655.0 547560.6 742347.2 690250.4
u2 (velocità periferica)Pr (velocità pressione) m/s- 1783.00 1743.20 1843.20 1823.06
COP 8.50 8.24 8.04 8.34
COP rif. A R-123 103.2%   97.6% 101.2%

 

I risultati ottenuti con il nuovo refrigerante HDR-14 (per Honeywell Developmental Refrigerant 14”) mostrano che questo refrigerante potrebbe essere impiegato in tali applicazioni senza particolari modifiche. In esso, infatti, è possibile avere una capacità frigorifera uguale se non maggiore di quella di confronto di base, e così pure per quanto riguarda l’efficienza.

In questa analisi non è stata fatta la valutazione delle pressioni operative e, a causa della pressione leggermente più elevata rispetto al HCFC-123, sarebbe necessario applicare il regolamento sui recipienti a pressione nel caso di un suo impiego, analogamente a quanto si fa con l’HFC-245fa.

Conclusioni
Le molecole a basso potenziale di riscaldamento che sono state sviluppate recentemente possono offrire delle potenziali applicazioni negli impianti frigoriferi che usano attualmente i refrigeranti a media pressione, come la refrigerazione commerciale e gli impianti fissi di condizionamento d’aria.
Al contrario della CO2 , è possibile ottenere delle prestazioni paragonabili a quelle dei refrigeranti esistenti nelle applicazioni come quelle ricavate nel presente studio senza ricorrere a sostanziali modifiche del macchinario.
Le valutazioni preliminari fatte sulle miscele frigorifere a pressione maggiore mostrano degli aspetti favorevoli ma esse sono ancora un compromesso per quanto riguarda le prestazioni, l’infiammabilità ed il GWP.
Il lavoro svolto fin qui è senza dubbio incoraggiante ma occorre effettuare ulteriori lavori per approfondire pienamente queste applicazioni che comprendono ulteriori valutazioni sul rischio di infiammabilità.

Bibliografia:
Spatz & alias : “Low Global Warming Refrigerants for Stationary Air Conditioning Applications” – Congresso ICR di Praga 2011

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