LA TECNICA DEL FREDDO

Piercarlo ROMAGNONIDorsoduro 220630123 Venezia 041 257 12 93pierca@iuav.it

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mercato in Italia dei frigoriferi e frigocongelatori

pezzi venduti, valore e prezzo medio unitario

classi di efficienza energetica in valore e in numero di pezzi.

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Una valutazione diffusa recentemente indicava in 148 milioni di pezzi laproduzione mondiale di frigoriferi; essa non sembra però accettabile se sitiene conto del fatto che la sola produzione cinese, rilevata dall’entegovernativo di statistica NBSC, ammontava a 103 milioni di unità nel2015.

Più attendibile sembra un’altra versione, che è invece di fonte cinese, cheindica per lo stesso anno un totale mondiale di 205 milioni di pezzi.Di essi i tre quarti sono stati prodotti nell’Asia Orientale: la Cina da solarappresenta grosso modo la metà del totale, mentre un altro quarto èprodotto nella Corea del Sud, in Giappone, nella Tailandia o a Singapore.L’ultimo quarto si produce nelle Americhe, in particolare negli Stati Uniti,in Messico o nel Brasile, e in Europa. Qui ai primi posti sono l’Italia e laGermania.

I leader mondiali sono i gruppi Haier, Electrolux, LG, Samsung eWhirlpool; ognuno di essi detiene una quota di mercato significativa,compresa tra il 5% e il 7%, con produzioni ciascuno tra i 10 e i 15 milionidi apparecchi. Le percentuali sono ovviamente calcolate assumendo cometotale mondiale la cifra di 205 milioni di unità

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Il mercato dei frigoriferi è ormai vicino alla saturazione nei Paesisviluppati, pur essendovi ancora una lieve fase di crescita, destinata adesaurirsi nei prossimi anni. Enormi possibilità vi sono invece nelle nazioniin via di sviluppo. Dall’Africa, Asia e Sudamerica verranno le futurecrescite

Parte I

• I cicli inversi e la produzione del freddo• Il ciclo a compressione di vapore: componenti• I fluidi refrigeranti• Applicazioni

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La produzione del freddo

Per refrigerazione di intende il trasferimento di calore da unambiente che deve essere mantenuto a bassa temperatura adun altro in cui può essere agevolmente smaltito.Questo processo viene realizzato da un fluido refrigerante in uncircuito frigorifero.Il fluido refrigerante deve avere la capacità di asportare caloredall’ambiente da refrigerare evaporando a bassi valori dipressione e temperatura e cederlo all’ambiente esternocondensando a più elevate pressione e temperatura.Il calore che il fluido refrigerante asporta coincide con il suocalore latente di vaporizzazione.

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Calore latente di vaporizzazione

È il calore necessario all’unità di massa [J/kg] di una sostanza pereffettuare il passaggio di stato dell’evaporazione ad un certovalore di pressione e temperatura.

Nelle trasformazioni liquido vapore e vapore liquidovengono assorbite e rilasciate le stesse quantità di calore.Perciò il calore latente di vaporizzazione per una particolaresostanza è esattamente uguale al calore di condensazione.In generale il calore latente ha valori molto grandi rispetto aicalori specifici delle sostanze in fase liquida e gassosa.

ATTENZIONE: il calore latente dipende dalla pressione (e dunqueanche dalla temperatura) a cui avviene il cambiamento di fase.

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Grandezze fisiche fondamentali

Temperatura: lo scopo della tecnica del freddo è scendere al di sotto della T ambiente.

Pressione: come vedremo, pressione e temperatura sono strettamente legate l’una all’altra.

Entalpia: è la grandezza usata in termodinamica (e quindi in tecnica del freddo) per definire lo stato energetico di una sostanza che si trova a determinate condizioni di pressione e temperatura.

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Unità di misura delle grandezze fondamentali

Temperatura: l’intervallo di temperatura si misura normalmente in gradi centigradi valutati sulla scala kelvin [K] o Celsius [°C]

Pressione: si misura in Pascal [Pa], ma in questo campo si preferisce il Mega Pascal [Mpa] o il bar (1 bar = 0.1 Mpa)

Entalpia: essendo un’energia si misura in joule [J]

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Cambiamento di stato di 1 kg di acqua a pressione atmosferica mediante apporto costante di energia termica

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Diagramma pressione-entalpia

Nella tecnica del freddo i cicli frigoriferi sono rappresentati in diagrammi p-h, dove possono essere evidenziati alcuni aspetti caratteristici del fluido frigorigeno e del ciclo.Punto critico: punto di massimo della curva. Al di sopra della temperatura critica il fluido si presenta solo allo stato gassoso, al di sotto possono avvenire i passaggi di stato (evaporazione e condensazione).

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Temperatura di saturazione

Si definisce temperatura di saturazione di un fluido (in corrispondenza di un certo valore di pressione) quella alla quale ha luogo il processo di vaporizzazione al valore considerato della pressione. Poiché non tutto il liquido evapora contemporaneamente, durante il processo di evaporazione si ha compresenza di liquido e vapore.

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Come si produce il freddo?

E’ esperienza comune che il calore passa spontaneamente da corpi a temperatura elevata a corpi a bassa temperatura. Per fare avvenire il processo contrario è necessario mettere a punto degli opportuni dispositivi che vengono detti macchine frigorifere, i quali hanno le seguenti caratteristiche:

1. Funzionano secondo trasformazioni termodinamiche cicliche: alla fine di ogni ciclo la macchina si ripresenta nelle condizioni iniziali pronta trasferire ancora calore.

2. Assorbono calore da una sorgente a bassa temperatura.3. Cedono il calore assorbito a una sorgente a temperatura elevata.4. Necessitano di una ulteriore quota di energia immessa dall’esterno

sotto forma di lavoro (o calore).

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T1 > T2 q2

q1

T2

T1

M

q2

q1

T2

T1

MLavoro

Teoria: secondo principio della termodinamica

Non esiste una macchina operante in modo ciclico il cui unico effetto sia lo scambio termico con sorgente a bassa temperatura verso una sorgente a temperatura più elevata

Importante

Lo scambio termico avviene spontaneamente da sistemi a temperatura più alta verso sistemi a temperatura più bassa.

EsempiFluido a q = 40 °C cede calore all’aria ambiente a 20°C che si riscalda

Fluido a q = -5 °C riceve calore dall’aria ambiente a 20°Cche si raffredda

Fluido a q = -10 °C cede calore a un fluido a q = -20°Cche tende a scaldarsi

Evaporatore: scambiatore di calore con fluido in evaporazione

Condensatore: scambiatore di calore con fluido in condensazione

• A compressione di vapori saturi (le più usate)

• Ad aria (usate nella climatizzazione di velivoli a reazione)

• Ad assorbimento (utili se si dispone di cascami termici)

• Ad effetto termoelettrico Peltier (usate per piccolissime potenze:

qualche watt)

Tipi di macchine frigorifere

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Il ciclo inverso a compressione di vapore costituisce uno dei cicli utilizzati nelle macchine per il trasferimento di calore da sistemi a bassa temperatura a sistemi ad elevata temperatura.

Il ciclo si basa sul fatto che il passaggio di stato liquido-vapore può avvenire in un verso o nell’altro al variare della pressione e delle condizioni ambientali con assorbimento o cessione di calore.

Si utilizza un fluido “frigorigeno” in grado, nel passaggio di stato, di assorbire una elevata quantità di calore per unità di massa.

Il ciclo frigorifero a compressione

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Nella realizzazione pratica di un ciclo a compressione di vapore per il trasferimento di calore (ciclo frigorifero) le trasformazioni che lo compongono avvengono in dispositivi tecnologici.

I dispositivi più importanti sono i seguenti: • condensatore - scambiatore di calore in cui condensa un vapore;• evaporatore - scambiatore di calore in cui evapora un liquido;• compressore - aumenta la pressione di un gas;• valvola di laminazione - abbassa la pressione di un liquido.

Dispositivi tecnologici

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Il primo frigorifero a compressione di gas messo a punto da Willis Carrier

compressore

condensatore

Zona raffreddata

Il ciclo frigorifero a compressione

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compressore

valvola dilaminazione

evaporatore

condensatore

Qa

L

Qb

Il ciclo frigorifero a compressione: schema meccanico

2-3 evaporazione: si ottiene un vapore surriscaldato

3-4 compressione del fluido con aumento di pressione

4-1 condensazione: si ottiene un liquido sottoraffreddato

1-2 espansione isoentalpica: diminuzione della pressione

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Il compressore (A) comprime il fluido refrigerante a circa 20bar (che è unapressione dieci volte superiore a quella dei pneumatici delle automobili) e gli faraggiungere la temperatura di circa 80°C. A questa temperatura il gas arriva alcondensatore esterno (B) e cede parte del suo calore all’aria aiutato dalventilatore. Il gas, quindi, si raffredda e diventa liquido e viene costretto apassare attraverso un piccolo foro (C). Attraversato questo foro il liquidoritorna in parte allo stato gassoso e si raffredda scendendo a circa 5°C. Il gaspassa poi all’evaporatore (D) posto all’interno dell’ambiente e aiutato dal suoventilatore cede il freddo all’aria. A questo punto il gas tornerà al compressorepronto a iniziare un nuovo ciclo.

Facciamo il punto sui componenti principali di un circuito frigorifero a compressione

Evaporatore: scambiatore di calore in cui il fluido evapora asportando calore dall’ambiente da refrigerare Compressore: componente meccanico che aspira il fluido refrigerante evaporato e lo comprime innalzandone la pressione e la temperaturaCondensatore: scambiatore di calore in cui il vapore condensa cedendo il calore latente di condensazione all’ambiente circostante Valvola di laminazione: in cui il condensato si espande diminuendo di pressione e temperatura riportandosi alle condizioni iniziali del cicloTubazioni: fungono da collegamento fra i vari organi

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Coefficiente di prestazione

Il COP (Coefficient of Performance) è il rapporto tra l’effetto frigorifero (potenza scambiata dall’evaporatore, qev) e la potenza meccanica scambiata dal compressore Pc.

Un indice analogo è l’EER (Energy Efficiency Ratio).In questo caso il rapporto tra le diverse grandezze è espresso in unità coerenti (es. W/ W)

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ecompressor

eevaporator

P

qCOP

Efficienza stagionale

L'efficienza stagionale è un modo di valutare l'efficienza energetica reale dellatecnologia di riscaldamento e raffrescamento, nell'arco di un intero anno.Questa misura indica in modo più realistico l'efficienza energetica e l'impattoambientale di un sistema.Il metodo di valutazione dell'efficienza energetica è incentivato dalla DirettivaEuropea sui prodotti connessi all'energia, la cosiddetta Direttiva di eco-progettazione (Direttiva 2009/125/CE).

Essa stabilisce i requisiti minimi di eco-progettazione che tutti i produttori sonotenuti ad adottare nei prodotti energivori.Per definire l'efficienza stagionale si usano due nuovi indici di valutazione per iprodotti di riscaldamento e raffrescamento, che devono essere utilizzati da tutti iproduttori. Essi sono:

• il Rapporto di efficienza energetica stagionale (valore SEER) in raffrescamento,• il coefficiente di prestazione stagionale (valore SCOP) in riscaldamento

I valori SEER e SCOP misurano il consumo energetico e l'efficienzaannuali sulla base di un tipico consumo giornaliero.

Prendono in considerazione le variazioni di temperatura e i tempi distand-by sul lungo periodo, in modo da fornire un'indicazione precisa eattendibile dell'efficienza energetica tipica di un'intera stagione diriscaldamento o raffrescamento.

Come esempio, consideriamo una macchina di raffrescamento di Potenza paria 17,6 kW che funzioni in media 8 h al giorno durante la stagione diraffrescamento

Alla fine della stagione, il sistema può funzionare solo per 4 h al giorno, ma alpicco della stagione di raffrescamento potrebbe funzionare anche per 14 h apiena potenza.

Assumiamo la stagione lunga 180 gg. Si può presumere che, in media ilsistemi lavori per 2/3 della sua capacità durante la stagione. L’energia per ilraffrescamento prodotta sarà:

Se il SEER è pari a 13, l’energia elettrica necessaria sarà:Eel = Ecool/13 = 1300 kWh

tcool kWhE 168801803

286,17

Il ciclo reale a compressione di vapore

Componenti di un circuito frigorifero a compressione di vapore• compressore - aumenta la pressione di un gas (vapore

surriscaldato)• condensatore - scambiatore di calore in cui condensa un

vapore• evaporatore - scambiatore di calore in cui evapora un liquido• Valvola di laminazione: abbassa la pressione del vapore

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Compressore

Tipi di compressoreAlternativoA palette (rotary)ScrollA viteCentrifugo

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Compressore Alternativo Vantaggi: tradizionalmente conosciuto da riparatori emanutentori;Svantaggi: troppi elementi (scarsa affidabilità)troppe parti in movimento (rumorosità);Destino: è in corso di estinzione a vantaggio dei menorumorosi e più affidabili compressori Scroll e Vite

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Compressore Alternativo

Vantaggi: tradizionalmente conosciuto da riparatori emanutentori;Svantaggi: troppi elementi (scarsa affidabilità)troppe parti in movimento (rumorosità);Destino: è in corso di estinzione a vantaggio dei menorumorosi e più affidabili compressori Scroll e Vite

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Compressore Alternativo

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Compressore rotativo a palette (rotary)

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Vantaggi: economicità ed il minimo ingombro che ne fanno la scelta migliore per applicazioni domestica a ridotta capacità (frigoriferi, congelatori, condizionatori).

Compressore Scroll

Brevettato nel 1905, si riesce a costruire solo da qualche decina d’anni.

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Compressore scroll

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https://www.youtube.com/watch?v=dsabYhhOko0

Vantaggi del compressore scroll

• Elevato rendimento volumetrico (spazio nocivo quasi nullo);

• Elevato COP

• Bassa rumorosità (circa 8db(A) in meno dell’alternativo);

• La compressione avviene con carichi simmetrici (due sacche simmetriche) e ciò riduce al minimo le vibrazioni;

• Ottima qualità del rumore (curva acustica spostata verso le alte frequenze: le più facili da abbattere);

• Buona resistenza al colpo di liquido;

• Elevata affidabilità.

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Compressore a vite

• Elevata affidabilità e durabilitàNumero di parti mobili inferiore di circa 10 volte a quello dei compressori alternativi;Si stima che la probabilità di guasto di un singolo compressore sia un quarto di quella di un alternativo;

• Regolazione della capacità frigorifera

• Lunga durata• Resistenza ai colpi di liquido• Maggiore silenziosità• 70% più piccolo di un

alternativo• 80% più leggero di un

alternativo• Silenzioso

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Compressore centrifugo

• L'uso è limitato ad elevate capacità frigorifere e bassi rapporti di compressione (solitamente grandi chiller ad R134a)

• La capacità frigorifera può essere variata mediante l'impiego di alette che modificano l'angolo di ingresso del fluido nella girante.

• Molto silenzioso (no parti in contatto)

• Senza olio • Cuscinetti magnetici: no attrito

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Condensatore

Aria: batteria alettataAcqua: controcorrente, a piastre, a fascio tubiero

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Gli scambiatori di calore: la funzione è di consentire lo scambio termico tra il fluido frigorigeno (interno) e l’esterno (aria o acqua)

Evaporatore

Aria: batteria alettataAcqua: a piastre, a fascio tubiero

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Lo scopo del capillare è di equalizzare le pressione delcondensatore e dell’evaporatore

I componenti: l’espansione

compressore

organo di laminazione

condensatore

evaporatore

Il frigorifero

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Nel frigorifero domestico

l’evaporatore

il condensatore

Fluido refrigerante: caratteristiche

Non infiammabile, non tossico, non nocivo per l’ambiente, non corrosivo per i tubi.

Ridotto volume specifico, per diminuire la cilindrata del compressore.

Compatibile con gli olii lubrificanti impiegati nei compressori.

Bassa temperatura di saturazione alla pressione atmosferica (es. temperatura di saturazione dell’ammoniaca alla patm= -33.35°C).

Valori della pressione di saturazione alle temperature richieste non inferiori a quella atmosferica (per evitare ingressi d’aria nel circuito).

Elevati valori del calore latente di vaporizzazione alla pressione atmosferica, per ridurre la quantità di fluido presente a parità di effetto frigorifero ottenuto.

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Tipologie di refrigeranti utilizzati

Fino a circa venti anni fa erano utilizzati:

CFC: clorofluorocarburi totalmente alogenati

HCFC: idroclorofluorocarburi parzialmente alogenati

L’utilizzo incontrollato di questi fluidi ha determinato l’assottigliamento della fascia di ozono (O3).

CFC: al bando dal 2003. Produzione completamente eliminata dal 2010

HCFC: la loro produzione come refrigeranti sarà bandita dal 2030 (2040nei paesi in via di sviluppo)

A seguito del protocollo di Montreal (1992) e successive leggi nazionaliapplicative (L. 549/93), sia CFC che HCFC sono stati progressivamenteeliminati e sostituiti con nuovi fluidi privi di cloro (HFC) a potenzialedistruttivo dell’ozono nullo, ma che causano l’effetto serra.

FREON

Effetto Serra - GWP

L'indicatore effetto serra viene calcolato considerando, tra le sostanze emesse in aria, quelle che contribuiscono al potenziale riscaldamento globale del pianeta terra.

La quantità in massa di ciascuna sostanza, calcolata sull'intero ciclo di vita del prodotto, viene moltiplicata per un coefficiente di peso, chiamato potenziale di riscaldamento globale (GWP, Global WarmingPotential). Sommando poi i contributi delle varie sostanze si ottiene il valore aggregato dell'indicatore.

Le sostanze che contribuiscono all'effetto serra sono principalmente: CO2, CH4, N2O, CFC, gli HCFC e gli HFC. La CO2 è la sostanza di riferimento per questo indicatore, vale a dire che il suo coefficiente di peso è uguale a 1 e i valori dell'indicatore sono espressi in kg di CO2 equivalente (kg CO2 eq).

Assottigliamento della fascia di ozono stratosferico: ODP

La riduzione della fascia di ozono stratosferico si calcola come l'indicatore precedente, ma facendo riferimento a diverse sostanze (CFC, HCFC) e con un diverso coefficiente di peso, chiamato potenziale di riduzione dell'ozono (ODP, Ozone Depletion Potential). La sostanza presa come riferimento è in questo caso un cloro - fluoro -carburo e precisamente il CFC - 11.

Sostanza di riferimento CFC-11

Chemical NameLifetime,in years

ODP1 (WMO 20021)

ODP2 (Montreal Protocol)

ODP3 (40 CFR)

GWP1 (WMO 2002)

GWP2 (SAR)

GWP3 (TAR)

GWP4 (40 CFR)

CAS Number

Group I

CFC-11 (CCl3F)Trichlorofluoromethane

45 1.0 1.0 1.0 4680 3800 4600 4000 75-69-4

CFC-12 (CCl2F2) Dichlorodifluoromethane

100 1.0 1.0 1.0 10720 8100 10600 8500 75-71-8

CFC-113 (C2F3Cl3)1,1,2-Trichlorotrifluoroethane

85 1.0 0.8 1.0 6030 4800 6000 5000 76-13-1

CFC-114 (C2F4Cl2) Dichlorotetrafluoroethane

300 0.94 1.0 1.0 9880 9800 9300 76-14-2

CFC-115 (C2F5Cl)Monochloropentafluoroethane

1700 0.44 0.6 0.6 7250 7200 9300 76-15-3

Group II

Halon 1211 (CF2ClBr)Bromochlorodifluoromethane

16 6.0 3.0 3.0 1860 1300 353-59-3

Halon 1301 (CF3Br)Bromotrifluoromethane

65 12 10.0 10.0 7030 6900 75-63-8

Halon 2402 (C2F4Br2)Dibromotetrafluoroethane

20 <8.6 6.0 6.0 1620 124-73-2

HFC 134a (Freon R134a)Refrigerante puro, cioè non ottenuto per miscela, pertanto simantiene inalterato durante le fasi di condensazione edevaporazione. Viene considerato un refrigerante di nuovagenerazione, perché ha influenza trascurabile rispetto all’ozono eall’effetto serra.

● HFC 407C (R407c)Miscela composta di R32, R125 e R134a. Presenta il problema,comune a molte miscele, di dar luogo all’effetto glide, fenomenoche si verifica durante le fasi di condensazione ed evaporazione percui le pressioni di lavoro rimangono invariate ma i componenti delfluido si separano.

● HFC 410A (R410a)Miscela composta di R32 e R125 con effetto glide quasi trascurabile.Sostituisce egregiamente l’R22 negli impianti di climatizzazioneperché ha maggiore resa frigorifera e consente di utilizzarecomponenti di minori dimensioni. Questo tuttavia è anche unosvantaggio perché impone di riprogettare gli impianti.

ODP e GWP dei fluidi refrigeranti più comuni

Effetto serra (global warming)

Calcolo del potenziale di riscaldamento equivalente totaleTEWI (total equivalent warming potential)

TEWI = DGW + IGW

DGW (direct global warming) = M x GWPM è la massa del refrigerante dispersa nella vita utile della macchina compresa la fase di smantellamento della stessa GWP è il global warming potential specifico del refrigerante usato

IGW (Indirect global warming = k x Ek è la massa, in kg, di CO2 prodotta per produrre 1 kWh elettrico (in Italia 0.71, in UE la media è 0.51)E è energia consumata nel ciclo di vita, in kWh

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Nomenclatura dei refrigeranti

CFC = cloro fluoro carburi, elevato OPD

HCFC = idro cloro fluoro carburi, basso OPD, elevato GWP

HFC = idro fluoro carburi, OPD nullo, elevato GWP

HFO = idro fluoro olefine, OPD nullo, basso GWP

HC = idrocarburi, ODP nullo, GWP trascurabile

Ammoniaca, CO2 = ODP nullo, GWP nullo o trascurabile

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I fluidi frigorigeni

Ammoniaca (R717): è un fluido naturale, OPD e GWP nulli, presenta tuttavia tossicità, corrosività ed esplosività tali da renderlo tuttora un refrigerante di nicchia. È utilizzato in purezza in macchine per il condizionamento di piccole dimensioni con ciclo frigorifero tradizionale o in impianti di refrigerazione di grandi dimensioni con ciclo di assorbimento in miscela con acqua, una tipologia piuttosto differente da quelle comunemente utilizzate.

Anidride carbonica, CO2 (R744): è un fluido naturale, OPD nullo, GWP=1, non ha le controindicazioni degli altri fluidi naturali e per questo gode favore nei paesi attenti all'ambiente, per esempio nel nord Europa. Tuttavia presenta pressioni di lavoro anche 10 volte superiori rispetto agli altri refrigeranti ed a temperature ambiente superiori ai 20-25°C non può essere condensato. Questo significa che per molte applicazioni il circuito frigorifero deve essere modificato per lavorare in condizioni dette super-critiche, dotandolo di componenti resistenti alle alte pressioni e sistemi di controllo delle pressioni stesse. È in corso l'analisi di fattibilità della sostituzione con R744 dell'R134a nel condizionamento per auto che ovviamente imporrà una nuova progettazione dei sistemi utilizzati oggi.

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R32 - DIFLUOROMETANO

L’ R32 è un refrigerante a bassa infiammabilità (classe 2L standard ISO 817)e può essere utilizzato in modo sicuro nelle pompe di calore.

Le scintille (prodotte da interruttori o relé) e l’ elettricità statica nonpossiedono sufficiente energia per infiammarlo.

Per infiammarsi serve una fiamma con temperatura di 648°C. Inoltre se sispegne la fonte si spegne tutto.La velocità di propagazione di fiamma è bassa 1,9 km/h.

Fino a 100 unità esterne, è possibile stoccare in qualsiasi ambiente senza ilcertificato di prevenzione incendi.Per quantitativi superiori a circa 350 unità serve il certificato di prevenzioneincendi (CPI e SCIA), come già previsto dalla legge.

Pertanto le caratteristiche del R32 sono:•È molto efficiente dal punto di vista energetico•Consente di usare una minore carica di refrigerante•Minore impatto ambientale (GWP) in caso di perdite•Operazioni di installazione e manutenzione equivalenti a quelle del R410A.

I condizionatori autonomi monoblocco

I condizionatori autonomi monoblocco effettuano la climatizzazione ambientale direttamente poiché realizzano autonomamente i trattamenti di raffreddamento, deumidificazione, filtrazione e diffusione dell’aria.I condizionatori da finestra costituivano sino ad un recente passato l’unica soluzione disponibile per il raffrescamento di piccoli ambientiIdonei per applicazioni che richiedono potenze frigorifere non superiori a 6-7 kW (civili abitazioni, piccoli locali…)Tutti gli organi che realizzano il ciclo frigorifero sono collocati all’interno di una piccola macchina posizionata a finestra o incassata in una muratura esterna.

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Condizionatori autonomi: spot cooler

Gli SPOT COOLER sono la naturale evoluzionedei condizionatori da finestra. Sono macchinemobili in grado di seguire l’utente nei varilocali a seconda delle necessità.Macchine molto compatte dotate di filtri incui un unico motore serve i due ventilatori.Alcuni modelli possono essere utilizzatisemplicemente come deumidificatori,effettuando una diminuzione della quantità divapore presente mediante il fenomeno dellacondensa.Il raffreddamento del condensatore avvienemediante aria aspirata dall’ambiente chedeve essere poi smaltita all’esterno attraversoun tubo di scarico inserito in un serramento osu una parete.Lo smaltimento della condensa viene fattomanualmente.

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Sistemi SPLIT

Gli SPLIT SYSTEM sono condizionatori molto diffusi negli ultimi anni grazie ad una maggiore potenzialità frigorifera in grado di condizionare una civile abitazione o piccoli locali commerciali o per il terziario.Il trasferimento del gruppo moto-condensante all’esterno consente di avere una ridotta rumorosità, evitando dispersioni di calore all’interno del locale e superando la difficoltà di realizzare aperture nelle finestre.Le due unità sono collegate da una doppia tubazione flessibile all’interno della quale circola il fluido refrigerante.

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Unità di uno split

Modalità raffrescamento

Modalità riscaldamento (pompa di calore)

Sistema SPLIT: unità interna

L’unità interna è costituita generalmente da un elettroventilatore centrifugo e da una batteria di raffreddamento e deumidificazione ad espansione diretta dotata di filtro d’aria.

Unità interna a soffitto

L’unità interna può essere collocata a pavimento, a parete, oppure a soffitto con l’apparecchio montato orizzontalmente all’interno dello spazio creato dalla eventuale controsoffittatura

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Unità interna a pavimento

Sistemi Multi-split a espansione direttaNelle soluzioni con potenze più piccole, le unità motocondensantipossono essere collocate su un balcone o fissate su opportune staffe suuna parete esterna, mentre le unità di dimensioni più grandi devonoessere poste sulla copertura dell’edificio.

Il campo di potenze frigorifere copertoda questo tipo di applicazione è piuttostoampio; nelle situazioni con potenze piùelevate si adotta la soluzione di una unitàmotocondensante che alimenta piùfancoil.

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Multi Split a espansione diretta

Roof-top

Per potenze frigorifere superiori a 7- 8 kW si può adottare la soluzione ROOF-TOP con la macchina di condizionamento autonomo collocata all’esterno (di solito sulla copertura) e la distribuzione dell’aria in ambiente attraverso canali passanti attraverso la copertura dell’edificio.Nella gamma di potenze da 12 a 17 kW viene utilizzato un solo compressore con un unico circuito frigorifero.

La circolazione dell’aria di raffreddamento del condensatore è assicurata da uno o due ventilatori elicoidali posti nella parte superioredella macchina con scarico verso l’alto

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Il mercatoFattore comune per la maggior parte dei sistemi di climatizzazione aespansione diretta è la crescita a due cifre rispetto al 2017: +10% avalore e +12% a quantità per i climatizzatori monosplit, per i qualile performance migliori si registrano nel segmento di potenzesuperiori a 7 kW, utilizzate prevalentemente nel settore lightcommercial.

L’incremento dei sistemi multisplit (+14% a valore e +13% aquantità) evidenzia che è sempre maggiore la quota di chi utilizza isistemi a espansione diretta non solo per un locale ma anche peruna climatizzazione semicentralizzata di più locali.

Si conferma anche nel 2018 la crescita dei sistemi VRF (+17% avalore e +18% a quantità), mentre risultano in terreno negativo icondizionatori packaged e roof top, che rispetto all’annoprecedente perdono l’8% a valore il 17% a quantità.

Fonte: Fatturato Italia 2018 – Fonte: “Indagine Statistica 2018 Real Estate edEnergia – Evoluzione Edilizia e Andamento della Climatizzazione”, Assoclima

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Parte II

• Applicazioni nell’industria alimentare (catena del freddo, refrigeratori per il trasporto degli alimenti)

• Cella Peltier• Ciclo ad assorbimento • Pompe di calore

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La catena del freddo

L'espressione catena del freddo indica il mantenimento deiprodotti surgelati ad una temperatura costante e comunqueinferiore ai -18°C, dalla produzione alla vendita.

La catena del freddo inizia dal produttore, passa attraverso lafase di stoccaggio, arriva nei magazzini di vendita e proseguefino al cliente finale.

Monitorare la catena del freddo è un'esigenza basilare per leaziende alimentari di prodotti freschi e surgelati.

surgelazione (<-18°C): il prodotto surgelato è caratterizzatoda piccolissimi cristalli che si formano all'interno del tessutocellulare senza provocare alterazioni.refrigerazione (<+4°C): all'interno del prodotto si possonoformare cristalli di ghiaccio di maggiori dimensioni che perforanole pareti cellulari provocandone la rottura.

Frigoriferi: il trasporto su container

Frigoriferi: il trasporto su treno

Frigoriferi: il trasporto su treno

Frigoriferi: il trasporto su autocarro

Frigoriferi: il trasporto aereo

Frigoriferi commerciali

Frigoriferi commerciali

Frigoriferi commerciali

Frigoriferi commerciali: schema di circuito

Frigoriferi domestici: tipologie

frigoriferi

Total No Frost LG A+++che garantisce il 60% di risparmioenergetico rispetto alla classe A.

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Effetti termoelettrici

L’effetto PeltierIn un circuito chiuso formato da due materiali diversi A e B, se viene indotta la circolazione di corrente elettrica di intensità I, si ha, in corrispondenza delle due giunzioni, sviluppo ed assorbimento di calore di entità proporzionale all’intensità della corrente ed alla tipologia di materiali.

Una comune cella Peltier è formata da due materialisemiconduttori drogati di tipo N e di tipo P, collegati tra loro dauna lamella di rame.

Se si applica al tipo N una tensione positiva e al tipo P unatensione negativa, la lamella superiore si raffredda mentrequella inferiore si riscalda. Invertendo la tensione lospostamento di energia termica viene invertito.

In commercio esistono celle Peltier isolate e celle Peltier nonisolate: le prime sono rivestite sotto e sopra da materialeceramico e garantiscono rendimenti maggiori delle seconde.

Un semiconduttore con eccesso di elettroni è detto semiconduttore ditipo N, mentre un semiconduttore con un eccesso di lacune è dettosemiconduttore di tipo P.

I droganti più comuni di tipo N per il silicio sono il fosforo e l‘arsenico.Da notare che entrambi questi elementi sono nel Gruppo V dellatavola periodica, e il silicio è nel Gruppo IV.

Quando il silicio è drogato con atomi di arsenico o di fosforo, gli atomidi questi droganti sostituiscono atomi di silicio nel reticolo cristallinodel semiconduttore, ma poiché hanno un elettrone esterno in piùdel silicio, essi tendono a fornire questo elettrone alla banda diconduzione.

Il drogante di tipo P di gran lunga più usato per il silicio è l'elementodel Gruppo III boro, il quale ha un elettrone esterno in meno delsilicio e così tende a prendere un elettrone dalla banda di valenza, equindi a creare una lacuna.Un drogaggio pesante del semiconduttore può aumentare la suaconduttività elettrica di un fattore di oltre un miliardo.

Passando dal materiale drogato p a quello drogato nattraverso la giunzione fredda, gli elettroni assorbono energiaper superare il locale gradino di potenziale.

Dato che l’energia assorbita viene sottratta, sotto forma dicalore sensibile, alla piastrina metallica che costituisce lagiunzione, questa si raffredda.

Al lato caldo succede il contrario, a causa del segno oppostodel gradino di potenziale.

Le prestazioni in refrigerazione di una coppia termoelettricapossono essere stimate valutando i diversi apporti energeticialla giunzione fredda. Questi sono principalmente causati da:

a) effetto Peltierb) effetto Joule (dissipazione elettrica)c) effetto Fourier (conduzione termica)

Una cella di peltier è composta da più cellette, dalle 30 cellette insu. In commercio si trovano prevalentemente celle del tipoisolato, con la parete superiore ed inferiore in ceramica, che è unmateriale isolante.

le celle Peltier assorbono necessariamente un certo quantitativodi corrente elettrica. Una tipica cella di dimensioni 30 × 30 × 4mm da 25 W, può presentare una caduta di tensione ai suoi capidi 8,5 V e assorbire 2,1 A.

Una coppia termoelettrica elementare è costituita da due prismi in materiale semiconduttore.

Il materiale semiconduttore, tipicamente una soluzione solidadi bismuto-antimonio-tellurio-selenio, presenta drogaggio ditipo p in uno dei due prismi, mentre nell’altro presentadrogaggio di tipo n.

Anche per le celle di Peltier si è definito ilrendimento energetico il cui il nome è COPaltrimenti chiamato, coefficente di prestazione.

Questo è il rapporto, in altre parole (Q/P), cherappresenta quanto lavoro ha fatto (= la quantitàendotermica Q) di fronte alla energia elettricagettante (p) che è data alla cella.

Ma nel campo realistico di applicazione della celladi Peltier, molte volte il valore è molto piccolo,ad esempio in frigoriferi di piccoli dimensioni ilvalore è (generalmente) circa 0.2.

Utilizzo di elementi Peltier

Svantaggi

- assorbimento elettrico: l’intensità assorbita puòraggiungere qualche Ampere;

- lato caldo: deve essere correttamente dimensionato unsistema di raffreddamento del lato caldo (ci deve essereuna dissipazione elevata);

- una cella Peltier necessita di essere ottimamente gestita equindi calibrata nell’utilizzo, per non scendere, dalla partefredda, al di sotto del punto di brina e quindi creandocondensa sul componente da raffreddare. Questocomporta un circuito stampato di regolazione del voltaggiodi funzionamento il cui costo poi va ad aggiungersi alcosto intrinseco della cella Peltier.

Fonte, ENEA, 2003

I consumi

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L’etichettatura energetica è stata concretamente introdotta apartire dal 1992.

Nel 1998 la stessa è stata utilizzata per frigoriferi e congelatori,l’anno successivo per le lavatrici, nel 2000 venne utilizzata per lelavastoviglie, nel 2002 e nel 2003 è stata applicata a lampadedomestiche, forni elettrici, condizionatori e frigoriferi.

Con i Regolamenti Europei 811/2013, 812/2013, 813/2013 e814/2013, infine, è stata introdotta l’etichetta energetica anchesu caldaie e impianti termici.

L’etichettatura energetica èattualmente obbligatoria in tuttaEuropa per i seguenti tipi diapparecchi elettrici:•Frigoriferi e congelatori.•Lavatrici•Lavastoviglie•Asciugatrici•Lavatrici combinate-asciugabiancheria.•Dispositivi di illuminazionedomestica.•Forni elettrici.

Uno degli apparecchi per i qualil’efficienza energetica comporta unnotevole risparmio è il frigorifero. Èl’unico apparecchio che viene acceso24 ore al giorno, tutti i giornidell’anno e può consumare finoal 30% dell’energia totale di unacasa.

Classe kWh/anno Costo per energia elettrica Euro

A+++ < 188 < 34,00

A++ 188 – 163 34,00 – 47,30

A+ 263 - 344 47,30 – 61,90

B 344 -468 61,90 – 84,20

C 469 – 563 84,20 – 101,30

D 563 – 625 101.30 – 112,50

E 625 – 688 112,50 -123,80

F 688 – 781 123,8 – 140,6

G > 781 > 140,6

Per un Frigo/congelatore da 300 litri.

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definizioni:«codice di risposta rapida (QR)»: il codicea barre a matrice (quick response code)che figura sull’etichetta energetica di unmodello di prodotto che rimanda alleinformazioni sul modello contenute nellaparte pubblica della banca dati deiprodotti;

«consumo annuo di energia» (AE): ilconsumo energetico giornaliero mediomoltiplicato per 365 (giorni all’anno),espresso in kilowattora all’anno (kWh/a),calcolato conformemente all’allegato IV,punto 3 del Regolamento 2019/2016

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«consumo giornaliero di energia»(Edaily): l’energia elettrica consumatada un apparecchio di refrigerazionenell’arco di 24 ore alle condizioni diriferimento, espressa in kilowattoraper 24 ore (kWh/24 h), calcolataconformemente all’allegato IV, punto3 del Regolamento 2019/ 2016;

«capacità di congelamento»: laquantità di alimenti freschi chepossono essere congelati in unoscomparto congelatore in 24 ore; nonè inferiore a 4,5 kg per 24 h per 100litri di volume dello scompartocongelatore, con un minimo di 2,0kg/24 h;

104

«scomparto di raffreddamento»: loscomparto che è in grado dimantenere la temperatura mediaentro un determinato intervallo senzache l’utilizzatore intervenga sullaregolazione, con una temperaturaobiettivo pari a 2 °C e condizioni diconservazione comprese tra –3 °C e3 °C, come indicato all’allegato IV,tabella 3;

«emissione di rumore aereo»: illivello di potenza sonoradell’apparecchio di refrigerazione,espresso in dB(A) re 1 pW (ponderatiA);

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Allegato IV del Regolamento 2016/ 2019

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Frigoriferi domestici: flussi termici

Tipiche prestazioni (-18°C ÷ 32°C)termoelettrico 0,09 W /Wassorbimento 0,44 W/Wcompressione 1,3 W/W

L’analisi energetica

Documento di supporto tecnico (USA – 1995)

Le indicazioni per un risparmio dei consumi prevedevano:

- aumento delle prestazioni del compressore (EER = 5,45)

- ventilatori per aumentare l’efficienza dell’evaporatore;

- aumento dell’efficienza dei motori elettrici del condensatore e dell’evaporatore (assorbimento elettrico 4,4 W circa);

- controllo dello sbrinamento;

- miglioramento delle guarnizioni;

- aumento delle superfici di scambio di condensatore e dell’evaporatore

Inoltre si prevede l’aumento di 2,54 cm di spessore per l’isolante o l’uso di pannelli con strato sottovuoto

Le macchine, funzionanti secondo un ciclo inverso,possono essere fatte operare avendo come scopo primariola cessione di energia termica alla sorgente a temperaturapiù alta.

In questo caso esse sono denominate pompe di calore e,dal momento che l’effetto utile è la fornitura di calore allasorgente ad elevata temperatura, il coefficiente diprestazione viene definito dalla relazione:

mPq

qq

qcaloredipompaCOP 1

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1

La pompa di calore utilizzo energia termica ad alta temperatura

Le pompe di calore sono macchine termiche che operano trasferendo calore da una sorgente fredda ad una calda.

Le macchine presenti sul mercato hanno comunemente campi di azione tra gli 0 ed i 120 gradi e possono quindi essere impiegate per il riscaldamento ambiente, per la produzione di acqua calda sanitaria e per i processi industriali che necessitino di calore a bassa temperatura.

Tipologia

Acqua – acqua: si riscalda acqua (condensatore) trasferendo energia termica da altra acqua (evaporatore)

Aria – acqua: si riscalda acqua (condensatore) attingendo calore da aria (evaporatore)

Acqua – aria: si riscalda aria (condensatore) attingendo calore da acqua (evaporatore)

Aria – aria: si riscalda aria (condensatore) trasferendo energia termica da altra aria (evaporatore)

Al posto dell’acqua può essere usata salamoia (brine)

Possono funzionare come macchine frigorifere (reversibilità)

Le macchine, funzionanti secondo un ciclo inverso, possono esserefatte operare avendo come scopo primario la cessione di energiatermica alla sorgente a temperatura più alta.

In questo caso esse sono denominate pompe di calore e, dalmomento che l’effetto utile è la fornitura di calore alla sorgente adelevata temperatura, il coefficiente di prestazione viene definito dallarelazione:

Nel caso di macchina reversibile, si definisce per ilfunzionamento in raffrescamento il parametro: efficienzaenergetica (EER) come rapporto q2/Pm

mPq

qq

qcaloredipompaCOP 1

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1

Pompe di calore ad acqua

Sistemi impiantistici: a terrenoCaratteristiche

Temperatura media del terreno (8-10°C)

Pompa di calore (COP ≈ 3 -4)

Sonda a terreno (anche 100 m)

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Il mercato delle pompe di calore

Il mercato Italia nella fascia fino a 17 kW oggi è per quasi il 90%dominato dai sistemi a pompa di calore.

La rilevazione evidenzia anche che il mercato dei piccoliapparecchi, fino a 17 kW, rappresenta circa il 40% del totale deigruppi frigoriferi condensati ad aria.

Si tratta di una percentuale importante che risente positivamentedell’introduzione sempre maggiore del sistema a pompa di calorenel riscaldamento/climatizzazione residenziale.

Anche per le macchine oltre i 50 kW si rileva una ulteriore crescitadei sistemi a pompa di calore, che rappresentano ormai circa il50% del totale.

123

Secondo il Piano Nazionale Integrato Energia e Clima le pompe di caloreforniscono ai consumi, nel 2017, un contributo di pari a 2,6 Mtep checostituisce oggi il 23,6 % delle rinnovabili nei consumi termici.

Lo scenario obiettivo del PNIEC prevede che tale contributo nel 2030sarà più che doppio, arrivando a 5,6 Mtep (+111%), ma soprattuttoquesto incremento dovrà assicurare l’85% dell’aumento dei consumi difonti rinnovabili termiche necessario per conseguire l’obiettivo 2030.