Fluidi di lavoro

Le pompe di calore ad assorbimento, come accennato, sfruttano due differenti tipologie di fluidi di lavoro: il primo, denominato fluido assorbente, rappresenta il “motore” della macchina ed è il responsabile del reale svolgimento della reazione di assorbimento e desorbimento che garantisce il corretto funzionamento della GAHP; il secondo, invece, è il fluido refrigerante, che ha il compito di scambiare calore tra evaporatore e condensatore, permettendo quindi la cessione di potenza termica all’utenza.

Le coppie assorbente e refrigerante devono presentare delle caratteristiche fondamentali per poter essere adottate nelle GAHP: ad oggi studi approfonditi hanno determinato che non esista una coppia di fluidi ottimale che permetta di soddisfare appieno tutti questi requisiti; tuttavia se ne possono identificare due, sono le coppie Acqua-Bromuro di Litio idrato (H2O-LiBr) ed Ammoniaca-Acqua (NH3-H2O).

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I requisiti dei quali si è parlato sono molteplici (Anatomia e fisiologia delle macchine ad assorbimento)_: - Volatilità relativa: è indispensabile che il refrigerante abbia una volatilità maggiore dell’assorbente, cioè una temperatura di ebollizione inferiore così da non avere problematiche di possibile formazione di miscele di vapori (che richiederebbero una complicazione di macchina dovuta dall’installazione di un rettificatore per la separazione dei vapori), oppure puntare ad utilizzare un assorbente che sia completamente non volatile, come il LiBr (un sale);

- Assenza di fase solida: la coppia di fluidi deve possedere un ampio campo di solubilità, ovvero rendere estremamente difficile ed improbabile il fenomeno della cristallizzazione, con conseguente ostruzione delle sezioni di passaggio e inesorabile blocco di macchina; per la coppia ammoniaca-acqua questo non si presenta, mentre diventa un problema di rilevante importanza per la coppia acqua-bromuro di litio implicando quindi un serrato controllo dei campi operativi della macchina ed impedendo (controllando le concentrazioni delle soluzioni) la cristallizzazione del sale;

- Stabilità chimica: essendo le pompe di calore macchine progettate per garantire una durata di vita utile di parecchi anni, diviene necessario garantire che i fluidi di lavoro in esse presenti mantengano le prestazioni per tutta la durata della macchina, evitando quindi la formazione di sostanze gassose, solide o altro all’interno della GAHP, che potrebbero causarne decadenza di vita utile; - Corrosione: il fenomeno della corrosione riveste un’elevata importanza

soprattutto per la coppia ammoniaca-acqua, dove l’elevata concentrazione della prima richiede l’esclusivo utilizzo di acciaio inossidabile per tutte le componenti di macchina a contatto con essa, compresi gli scambiatori di calore (questo implica un netto peggioramento delle capacità di scambio per decremento del coefficiente di conducibilità termica del materiale, quindi un sovradimensionamento dei medesimi per controbilanciarla);

- Tossicità ed infiammabilità: argomento già accennato per quanto concerne l’ammoniaca, tossica ed infiammabile al di sopra di certe concentrazioni, cosa che fa prevalere la coppia acqua-bromuro di litio come fluidi di lavoro, soprattutto in ambito residenziale;

- Viscosità: basse viscosità permettono di aumentare la capacità di scambio di massa, per effetto del contenimento delle perdite di carico e del lavoro della

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pompa della soluzione ricca. Per le macchine H2O-LiBr contenere le perdite di

carico diventa fondamentale per limitare le fluttuazioni delle temperature di evaporazione e condensazione dell’acqua;

- Pressioni di lavoro: al fine di evitare possibili infiltrazioni dall’esterno si predilige sempre lavorare con cicli a pressione superiore di quella atmosferica, ma non sempre è possibile, infatti per la GAHP acqua-bromuro di litio questo rappresenta un potenziale svantaggio: sia la pressione di evaporazione che quella di condensazione sono minori di quella atmosferica, viceversa invece per la soluzione ammoniaca-acqua, che quindi è avvantaggiata sotto questo punto di vista;

- Calore latente di evaporazione e Calore specifico: sono gli ultimi due parametri da dover valutare per le coppie assorbente-refrigerante, è bene che il calore latente di evaporazione sia elevato in modo tale da avere, a pari effetto utile, una portata circolante contenuta e quindi un minor consumo elettrico della pompa, il calore specifico è conveniente che sia mediamente alto, in modo tale, a pari portata e salto termico, da poter contenere il dimensionamento degli scambiatori di calore e garantire comunque un’alta potenza scambiata.

Come citato in precedenza, le macchine ad assorbimento si prestano efficacemente nella ristrutturazione di un edificio: molte volte si è obbligati a non poter modificare radicalmente il tipo di impianto di diffusione del calore, il che implica di dover cercare di unire i vantaggi di un sistema di generazione ad elevate prestazioni, con gli svantaggi del sistema di emissione esistente: alte temperature di lavoro e, al contempo, rendimenti migliorabili. La tecnologia delle GAHP permette di poter rispondere a tale esigenza: lato efficienza, sono una soluzione che indubbiamente garantisce un incremento rispetto alle tradizionali caldaie; lato temperature, riescono a fornire condizioni di mandata che nelle versioni a compressione difficilmente sono raggiungibili, se non con cicli a CO2 ipercritici o impianti a compressione bifasici; lato

fabbisogni, non comportano una modifica alcuna del carico elettrico dell’edificio perché sono alimentate a gas naturale e sono macchine quasi statiche, che quindi non necessitano di operazioni di manutenzione frequente, garantendo quindi un’elevata vita utile (Gas Absorption Heat Pump solution for existing residential buildings - Guerra)_.

Nella tabella di Figura 15 si è riportato un riassunto di tutte le caratteristiche che le coppie assorbente - refrigerante disponibili in commercio presentano.

Pagina | 42 Figura 15 - Caratteristiche delle coppie assorbente-refrigerante adottate nelle GAHP

1.2.3. Funzionamento a carico parziale

Il funzionamento di una pompa di calore ad assorbimento a carico parziale, presenta rilevante interesse, perché ad oggi, la ridotta disponibilità di macchine ed il ridotto campo di potenza disponibile, non hanno permesso ampie valutazioni sull’andamento della prestazione di macchina, dando così origine ad un ampio studio di settore. Tra gli studi compiuti è risultato molto utile un lavoro di tesi svolto al Politecnico di Milano: “Caratterizzazione sperimentale di una pompa di calore ad assorbimento

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il quale è stato possibile estrapolare una correlazione esprimente la variazione di GUE in funzione del carico parziale a cui è soggetta la macchina, Figura 16.

Figura 16 - Curva sperimentale di variazione del GUE sul fattore di carico macchina per versione NH3-H2O, tratto dalla tesidi Redaelli Riccardo

𝐺𝑈𝐸𝐹𝐶𝑋% = 𝐺𝑈𝐸100%∗ [−0.6247 ∗ (𝐹𝐶𝑋%)2+ 0.9719 ∗ 𝐹𝐶𝑋%+ 0.6462]

Dalla curva sperimentale riportata si nota come la variazione di prestazioni della GAHP sia pressoché invariata nella fase di modulazione fino ad un 50% del carico, per poi decrescere gradualmente al ridursi dello stesso. L’analogo studio di modulazione verrà svolto nel dettaglio per le pompe di calore a compressione, nel capitolo successivo, mettendo quindi in confronto le due tipologie di macchine ed osservando come la modulazione del carico ne possa influenzare la prestazione globale.

Analisi comparativa

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