L’analisi teorica del funzionamento di un impianto di refrigerazione o di una pompa di calore operanti con un determinato fluido operativo va affrontata confrontandolo con un sistema funzionante con un refrigerante di riferimento. In questa simulazione si è deciso di confrontare il funzionamento teorico di un ciclo a semplice compressione operante a R744 con quello funzionante a R410a, uno dei fluidi sintetici più utilizzati nelle pompe di calore.
5.4.1 Definizione del ciclo per l’R410a
Nella realizzazione del ciclo frigorifero ad R410a sono state adottate le stesse ipotesi di partenza utilizzate per lo studio dell’R744, in modo da stabilire un confronto attendibile fra i due fluidi. L’unico limite è posto dalle condizioni di condensazione, in quanto i fluidi sintetici operano in regime subcritico, ovvero all’interno della zona di saturazione: ne deriva che l’analisi del ciclo ad R410a è definita fino ad una temperatura di condensazione massima di 60°C ed una pressione massima di 40 bar (come si vede anche nel Diagramma di Mollier caratteristico di tale fluido in Figura 5.6).
77 All’interno del confronto sono state rispettate per ogni simulazione le seguenti
condizioni:
• uguale temperatura dell’acqua in ingresso al gas cooler o al condensatore;
• uguale temperatura dell’acqua in uscita al gas cooler o al condensatore; • uguale temperatura dell’acqua in uscita al gas cooler o al condensatore; • uguale surriscaldamento del fluido in entrata al compressore, pari a 5K; • uguali rendimenti per il compressore e gli scambiatori di calore.
5.4.2 Temperatura di condensazione nel ciclo subcritico
Prima di esaminare i risultati del confronto fra i due fluidi frigorigeni è interessante porre l’attenzione su un parametro che influenza il COP nei cicli subcritici: la temperatura di condensazione. Essa si calcola sommando la ∆Tapproach
alla temperatura di uscita dell’acqua dal condensatore che si vuole ottenere, quindi è differente dalle temperatura di uscita della CO2 dal gas cooler utilizzata nella
simulazione del ciclo ad anidride carbonica, che invece si ottiene a partire dalla temperatura dell’acqua in ingresso allo scambiatore.
Si nota dal grafico in Figura 5.7 come all’aumentare della temperatura di condensazione, quindi della temperatura di uscita dell’acqua, si verifichi una riduzione del COP: questo fenomeno termodinamico acquisisce grande importanza nel riscaldamento dell’acqua calda sanitaria, che raggiunge temperature superiori ai 60°C, evidenziando i limiti dell’R410a per tale applicazione.
Figura 5.7 – Dipendenza del COP dalla temperatura di condensazione
3 3,5 4 4,5 5 5,5 35 40 45 50 COP (-) Temperatura di condensazione (°C)
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5.4.3 Risultati del confronto fra i fluidi
Nello studio sulla convenienza dell’utilizzo dell’anidride carbonica rispetto ad un fluido sintetico tradizionale come l’R410a si è posta l’attenzione sull’andamento del COP nei due cicli in funzione dello scambio termico richiesto sullo scambiatore di alta temperatura (gas cooler o condensatore). I parametri su cui si è posta l’attenzione durante l’iterazione sono i seguenti:
temperatura in ingresso dell’acqua al gas cooler o al condensatore;
incremento di temperatura dell’acqua che si vuole ottenere, in base alla temperatura che si desidera ottenere all’utenza.
Nella prima fase della simulazione si è preso in considerazione un riscaldamento dell’acqua di 10°C: il range di temperatura dell’acqua in ingresso allo scambiatore varia da 15°C a 35°C.
Dal grafico di Figura 5.8 risulta evidente come per tale applicazione l’adozione di un fluido sintetico sia più conveniente dell’R744, in quanto il COP dell’R410a passa dal valore di 7.363 per una temperatura di condensazione di 28°C al valore di 3.905 nella condizione di 48°C al condensatore. Dall’altra parte la curva caratteristica della CO2 si mantiene sempre al di sotto della curva dell’R410a: il
COP infatti parte da un valore massimo di 5.642 per decrescere fino a 3.291.
Figura 5.8 – Confronto fra R744 e R410a per un riscaldamento di 10°C
La scarsa convenienza di un ciclo transcritico a CO2 in questa particolare
configurazione del sistema è causata dal ridotto scambio termico che si verifica all’interno del gas cooler, dal quale l’anidride carbonica esce con un elevato
2 3 4 5 6 7 8 10 20 30 40 R410a R744 Tinacqua (°C) COP (-) Δt=10°C
79 livello energetico non sfruttato per il riscaldamento dell’acqua; per questo motivo
si ha una forte penalizzazione sull’effetto utile ottenuto sul lato ad alta temperatura dell’impianto e, di conseguenza, sul COP.
Tale condizione operativa si verifica negli impianti di riscaldamento domestico a bassa entalpia, rappresentati ad esempio da impianti radianti con riscaldamento a pavimento, la cui diffusione è in continuo aumento grazie agli elevati livelli di comfort che sono in grado di assicurare: nella realizzazione di tali impianti, in cui è richiesta una temperatura di uscita dell’acqua di circa 35°C, risulta quindi conveniente adottare un fluido sintetico come fluido operativo.
In seguito si sono presi in esame i risultati ottenuti per una configurazione del sistema a pompa di calore per la produzione di acqua calda sanitaria, quindi con un ∆t = 30°C (Figura 5.9). In questo caso emerge l’importante proprietà dell’anidride carbonica di ottenere COP elevati anche per elevate temperature di uscita dell’acqua, a differenza dei fluidi sintetici a ciclo subcritico: questi ultimi, infatti, all’aumentare della temperatura dell’acqua in uscita sono caratterizzati da un proporzionale aumento della temperatura di condensazione in funzione del
∆tapproach adottato, con forte penalizzazione dell’effetto utile (progressivo
allontanamento fra le temperature limite del ciclo).
Figura 5.9 – Confronto fra R744 e R410a per un riscaldamento di 30°C
Al contrario l’R744, che presenta in uscita dal compressore temperature molto elevate (oltre 80°C), riesce in questo caso a cedere all’acqua gran parte della potenza termica che possiede in ingresso al gas cooler, con massimizzazione
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 10 15 20 25 30 35 40 R410a R744 Tinacqua (°C) COP (-) Δt=30°C
80 dell’effetto utile. Al fine di favorire questa importante proprietà si adottano
scambiatori di calore a piastre, in cui le ampie superfici di scambio termico ed il particolare moto turbolento impresso ai due fluidi permettono di ottenere elevati valori del coefficiente di scambio termico.
Dal grafico ottenuto si nota come il COP per il refrigerante R410a presenti un valore massimo di 3.905 per una temperatura di 15°C dell’acqua in ingresso al condensatore e 45°C in uscita, per poi decrescere fino ad un valore minimo di 2.294 per 65°C in uscita. Invece l’R744, il cui COP dipende dalla temperatura dell’acqua in ingresso al gas cooler e non in uscita, presenta gli stessi valori del caso precedente.
È interessante notare come la curva di prestazione dell’anidride carbonica presenti un brusco calo in prossimità dei 30°C, quindi emerge la necessità di introdurre acqua a temperature basse.
Nelle applicazioni reali ciò implica l’utilizzo dell’R744 in impianti che possiedono dispositivi di stoccaggio dell’acqua, in modo da creare una stratificazione ben controllata. In questo modo è possibile sfruttare al meglio il ciclo transcritico, data anche l’impossibilità di ottenere acqua calda istantanea da parte di un impianto operante a pompa di calore se non disponendo di un’elevata potenza elettrica. La stratificazione dell’acqua nei serbatoi permette di mantenere a temperature differenti grandi portate d’acqua, che possono essere reintrodotte all’interno del circuito della pompa di calore per vari stadi di riscaldamento, garantendo un’elevata resa dell’impianto.
Lo studio effettuato attesta come nel campo delle pompe di calore per la produzione dell’acqua calda sanitaria i sistemi operanti ad anidride carbonica si dimostrino molto competitivi, in quanto le prestazioni fornite in determinate condizioni operative sono superiori rispetto a quelle dei tradizionali impianti operanti con fluidi sintetici.
Per questo motivo si è stabilito di concentrarsi sulla progettazione di un pompa di calore geotermica a CO2 destinata alla produzione di acqua termosanitaria: grazie
alle elevate potenze termiche che si possono ottenere con cicli a compressione transcritici, tale sistema si può utilizzare in applicazioni residenziali, turistiche o industriali.
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