La scelta dell’R744 nella refrigerazione industriale

La scelta dell’R744 nella refrigerazione industrialeIl gas R717 è stato fino ad oggi la soluzione standard per la refrigerazione industriale. Oltre all’eccellente efficienza alle basse temperature, i valori di ODP = 0 e GWP = 0 lo classificano come rispettoso dell’ambiente e pronto a sottostare alle stringenti normative europee della F-Gas.
Negli ultimi anni il gas R744 sta diventando una popolare alternativa al gas R717 grazie alla crescente economicità degli impianti a CO2, alla classe di sicurezza A1 (che non richiede stringenti vincoli sul design dell’impianto relativi alla infiammabilità e tossicità del gas) ed infine anche grazie alle alte capacità frigorifere ed efficienze.

In questo articolo viene presentata una breve comparativa tra i gas R744 e R717 in due differenti aree climatiche per mostrare come la CO2 possa essere una perfetta alternativa alla NH3 nella refrigerazione industriale.
L’analisi è uno studio che compara tre impianti industriali con 300 kW @-8°C e 400 kW @-28°C a Londra (UK) e San Paolo (Brasile). Il sistema A è un impianto doppio stadio con ammoniaca con espansione diretta ed il sistema B e C sono due impianti CO2 booster, dove il primo è nella configurazione di flash gas bypass ed il secondo con compressione parallela.

La scelta dell’R744 nella refrigerazione industriale

L’impianto A necessita di 5 compressori aperti a vite per la parte di MT e BT mentre l’impianto B e C lavorano con solo 2 compressori CDS8001B per la parte di BT e 5 CD500 compressori per la parte di MT.
Il compressore CDS80001B appartiene alla nuova gamma CDS7, la nuova gamma otto cilindri per CO2 subcritica da 91 m3/h a 123 m3/h @ 50 Hz, creata per essere la miglior soluzione sia dal punto di vista economico che progettuale per grandi capacità frigorifere in BT, riuscendo a coprire enormi carichi termici con un ridotto numero di compressori.
La gamma 6 cilindri CD500 è formata dai compressori per CO2 transcritica più grandi disponibili sul mercato con uno spostamento volumetrico fino a 59 m3/h @50 Hz.

Figura 2. Gamma CDS7 per CO2 subcritica, 4 modelli da 91 m3/h a 123 m3/h. Il modello CDS90001B, il più grande della gamma, lavorando @-35°C / -5°C riesce a fornire quasi 220 kW di capacità frigorifera all’evaporatore.
Figura 2. Gamma CDS7 per CO2 subcritica, 4 modelli da 91 m3/h a 123 m3/h. Il modello CDS90001B, il più grande della gamma, lavorando @-35°C / -5°C riesce a fornire quasi 220 kW di capacità frigorifera all’evaporatore.

Le temperature medie di Londra e San Paolo sono riportate qui sotto:


L’analisi compara i consumi energetici degli impianti e stima il costo di installazione e gestione dell’impianto lungo un arco di 25 anni per poter valutare quale sia complessivamente la soluzione più efficace dal punto di vista economico nel lungo termine. Per i due Paesi sono stati considerati i seguenti valori di input:

Il costo degli impianti con R717 e R744 può essere funzione di numerosi aspetti tecnici. In questa comparativa sono stati considerati i valori di 2800 € / kWr per R717 e 1650 € / kWr per R744, nonostante il costo dell’impianto con compressione parallela sia leggermente più costoso rispetto a quello con flash gas bypass.
I valori riportati possono essere considerati come riferimento fino a 2 MW di capacità frigorifera, mentre per installazioni più grandi il valore relativo al gas R717 scende sensibilmente.

Il consumo energetico annuale è quasi lo stesso per la città di San Paolo tra i due sistemi con R744 e l’impianto con R717, infatti le due curve partono da ascissa zero con una differenza iniziale dovuta ai diversi costi di installazione e questa differenza rimane costante durante gli anni. Entrambi gli impianti con CO2 e NH3 utilizzano adiabatic coolers. L’impianto con compressione parallela offre un piccolo vantaggio in termini di consumi energetici ed aiuta a mantenere l’efficienza dell’impianto prossima ai valori del sistema con R717.
Per la città di Londra, l’impianto B con flash gas bypass è molto più efficiente rispetto all’impianto A con R717 (quasi il 15%) e scegliendo la compressione parallela per incrementare il valore di COP si arriva ad una efficienza nell’arco dell’anno superiore del 17% rispetto all’impianto A.
In questo caso quindi la differenza tra i costi di installazione per l’ammoniaca e l’anidride carbonica si accentua con il passare degli anni.
Gli eccellenti risultati ottenuti con l’anidride carbonica sono stati calcolati nonostante per l’ammoniaca sia stato preso in considerazione un sistema ad espansione diretta, quindi estremamente favorevole dal punto di vista dell’efficienza rispetto all’espansione indiretta. Generalmente i sistemi con carica ridotta di ammoniaca sono utilizzati per migliorare la sicurezza dell’impianto, ma tendono a ridurre la sua efficienza.
Nelle applicazioni industriali con CO2 transcritica è diventato di largo impiego recuperare il calore dalla linea di scarico del compressore, dove si ottengono temperature di mandata molto più alte rispetto agli HFC e HCFC. Questo ulteriore vantaggio in termini di risparmio energetico non è stato considerato nella presente analisi.
Considerando le classi di sicurezza di R717 (B2L) e di R744 (A1), è chiaro che la CO2 può essere anche usata in applicazioni industriali dove la tossicità e l’infiammabilità sono uno dei vincoli progettuali e generalmente l’anidride carbonica sarà più facile da gestire sia per la parte di progettazione dell’impianto sia per l’utente finale (specialmente nel caso di sistemi ad espansione diretta e vicini ad aree popolate).
I risultati di questa simulazione mostrano chiaramente come il gas R744 sia la miglior soluzione non solo per applicazioni commerciali, ma anche per tutte quelle applicazioni che richiedono grandi carichi termini sia in media che in bassa temperatura. Risultati simili possono essere indicativi fino a circa 3 MW, oltre questo valore per il momento l’ammoniaca si dimostra ancora la soluzione più economica. Grazie alla gamma CD500 per CO2 transcritica e alla nuova gamma CDS7 per CO2 subcritica è possibile approcciare il mercato della refrigerazione industriale in maniera efficace.
Molti impianti CO2 booster per refrigerazione industriale sono già in funzione e ancor di più sono in fase di installazione; questi sistemi rappresentano la soluzione finale in termini di sicurezza, basso GWP, certezza del prezzo futuro del gas e della sua disponibilità, costi operativi e costo del capitale, dimensioni dell’impianto, affidabilità.

La scelta dell’R744 nella refrigerazione industriale
Figura 3. Rack per CO2 transcritica per applicazioni industriali. N.6 compressori CD500 per 1 MW di capacità frigorifera in MT

 

Materiali gentilmente forniti dalle Officine Mario Dorin.

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