Quali sono le "variabili" per la scelta di un refrigerante
Le costruzioni frigorifere si basano sempre di piu' sulla sostenibilita' di lungo periodo. Ma vediamo quali sono tutti gli aspetti da considerare
16 luglio 2022
Ogni giorno ci confrontiamo con costruttori e frigoristi che ci e si interrogano sulle scelte da fare o da intraprendere per la costruzione di una macchina frigorifera capace di "resistere" alle politiche industriali del futuro. I rischi associati a tele scelta sono molteplici, come ci mostrano gli eventi di questi giorni. Da una parte i costi, dall'altra la disponibilita'. Inoltre, vi e' poi l'incertezza legata alla durata dell'investimento a causa dei divieti in costante evoluzione.
Lungi da noi la volonta' (e la capacita') di dare una risposta univoca ad ogni applicazione. Possiamo pero' tornare alle "basi" per affrontare insieme quelle che sono le determinanti per la scelta.
introduzione
I refrigeranti sono stati il componente fondamentale dei sistemi di condizionamento e refrigerazione sin dal 19° secolo. A parte i progressi tecnologici, un cambiamento importante nel loro utilizzo è la crescente attenzione alla riduzione dell'impatto sull'ambiente. Sebbene i gas fluorurati non danneggino lo strato di ozono atmosferico, sono gas serra e l'UE vuole ridurre le emissioni di due terzi entro il 2030 (anzi, con la revisione proposta, questa quota andra’ oltre). Le normative sui gas fluorurati introdotte nel 2006 , sono state aggiornate nel 2014, e forse non sorprende che la nuova proposta di legislazione introduca requisiti più severi, come limitare la quantità di gas fluorurati che possono essere venduti nell'UE e vietare l'uso di gas fluorurati in alcune nuove apparecchiature se sono disponibili alternative migliori disponibile sul mercato.
La sfida per le aziende non è solo scegliere il refrigerante giusto per ridurre le emissioni, ma soprattutto fare la scelta giusta per avere un effetto positivo sull'efficienza operativa, riducendo i costi di funzionamento.
Nel caso dei supermercati e di altri utilizzatori di refrigeranti di alto profilo c'è anche il vantaggio di una buona pubblicità attraverso l'uso di refrigeranti rispettosi dell'ambiente
Tipi di refrigerante disponibile
Sinora negli impianti si e' tradizionalmente utilizzato HFC o miscele di HFC. Tuttavia, questi sono potenti gas serra.
Un'alternativa e una delle soluzioni future potrebbero essere i refrigeranti impropriamente detti "naturali" (vedere questo post recente LINK), ma ciò richiede alcune modifiche alla progettazione delle apparecchiature, siano esse per il condizionamento o per la refrigerazione. Di seguito sono riportati i refrigeranti “naturali” più comuni e le loro caratteristiche:
Isobutano (R600A)
L'isobutano è un idrocarburo e quindi è infiammabile. Le sue proprietà termodinamiche sono molto simili a quelle dell'R134a. L'isobutano presenta altri vantaggi, come la compatibilità con l'olio minerale e una migliore efficienza energetica ed è più economico dell'R134a. L'uso dell'isobutano richiede modifiche progettuali minime, come il trasferimento di potenziali fonti di ignizione al di fuori del comparto refrigerato.
Propano (R290)
Il propano ha un punto di ebollizione di –42°C, il che lo rende un'ottima alternativa all'R22 poiché richiede pressioni di esercizio simili. Un ulteriore vantaggio è che, a parte le misure di sicurezza aggiuntive dovute alla sua infiammabilità, non è richiesta praticamente alcuna modifica di progettazione nei sistemi quando si passa dall'R22 al propano. La combinazione delle sue buone proprietà termodinamiche e termofisiche produce sistemi che sono almeno altrettanto efficienti dal punto di vista energetico a quelli che funzionavano con R22. L'uso del propano è in aumento nei paesi in cui le normative lo consentono.
Ammoniaca (R717)
L'ammoniaca è stata utilizzata continuamente nel corso della storia moderna della refrigerazione, ma presenta numerosi inconvenienti. È tossico e infiammabile in concentrazioni comprese tra il 15,5% e il 28% nell'aria. Non è compatibile con il rame, quindi richiede altri materiali per la costruzione. Ma le proprietà termodinamiche e termofisiche dell'ammoniaca producono anche sistemi di refrigerazione molto efficienti. A causa della sua tossicità acuta, per i sistemi di ammoniaca si applicano norme rigorose, che richiedono un attento monitoraggio e ingegneri e tecnici altamente qualificati.
Anidride carbonica (CO2)
L'anidride carbonica non è un nuovo refrigerante. L'uso dell'anidride carbonica come refrigerante durò per oltre un secolo, ma venne abbandonato a metà degli anni '50, con l'uso diffuso dei refrigeranti CFC, che erano più efficienti e più sicuri. È stato "riscoperto" all'inizio degli anni '90. Grazie al suo basso impatto ambientale, bassa tossicità e non infiammabilità, la CO2 sta ora riguadagnando popolarità tra i progettisti di sistemi di refrigerazione mentre si cerca un'alternativa ai fluorocarburi.
Criteri di selezione dei refrigeranti
Non esiste una regola pratica che regola la selezione dei refrigeranti. Tuttavia, ci sono cinque criteri da tenere in considerazione:
- Proprietà termofisiche.
- Questioni tecnologiche.
- Aspetti economici.
- Sicurezza.
- Fattori ambientali.
Oltre a questi criteri, altre considerazioni come; regolamenti e standard locali, manutenibilità e capacità (come avere personale con competenze per supportare le unità). I requisiti di formazione degli utenti dovrebbero sempre essere presi in considerazione.
Le caratteristiche desiderabili dei refrigeranti "ideali" sono considerate le seguenti:
- Punto di ebollizione normale inferiore a 0°C.
- Non infiammabile.
- Non tossico.
- Facilmente rilevabile in caso di perdite.
- Stabile in condizioni operative.
- Facile da riciclare dopo l'uso.
- Area relativamente ampia per l'evaporazione del calore.
- Relativamente poco costoso da produrre.
- Basso impatto ambientale in caso di sfiato accidentale.
- Bassa portata di gas per unità di raffreddamento al compressore.
Poiché è improbabile che ci sia un refrigerante che corrisponda al profilo perfetto, potrebbe essere necessario dare priorità a quello dei criteri ritenuto più importante per l’applicazione.
Ad esempio, se la minimizzazione dell'impatto ambientale è un criterio chiave, l'efficienza del refrigerante nella fase operativa del sistema supererà l'impatto delle fasi di produzione e smaltimento.
Idoneità dei refrigeranti disponibili
In applicazioni quali i supermercati si stanno gradualmente allontanando dai sistemi di refrigerazione ad HFC per utilizzare refrigeranti “naturali”. Tali installazioni utilizzano spesso ammoniaca (non in Italia, e inoltre con chiller), CO2 o idrocarburi (nei plug in), che hanno un impatto relativamente scarso o nullo sul riscaldamento globale e un impatto zero sullo strato di ozono. Ad esempio, la CO2 ha un potenziale di riscaldamento globale (GWP) di solo uno, rispetto a quasi 4.000 per l'HFC-404A.
Un'opzione rapida per ridurre l'impatto ambientale delle emissioni degli impianti esistenti è sostituire l'HFC-404A con un'alternativa drop-in come HFC-448A (GWP 1.387) o HFC-407A (GWP 1.990). Sebbene queste miscele abbiano ancora un impatto ambientale significativo, i loro GWP sono circa la metà di quelli dell'HFC-404A, quindi il passaggio a queste miscele nelle apparecchiature esistenti può ridurre drasticamente l'impatto delle perdite di refrigeranti a breve termine.
La CO2 adatta per l'uso come refrigerante è comunemente denominata R744 nell'industria della refrigerazione e del condizionamento dell'aria.
I vantaggi sono:
- Bassa tossicità.
- Non infiammabilità.
- Zero potenziale di esaurimento dell'ozono.
- Potenziale di riscaldamento globale molto basso (GWP=1).
- Eccellenti proprietà termodinamiche e basso fabbisogno energetico.
Le proprietà del refrigerante R744 sono sorprendentemente favorevoli alla refrigerazione. Nonostante l’alta pressione, R744 è in grado di funzionare in modo fluido, efficiente e con perdite energetiche complessive di ciclo ridotte poiché il calore di scarto può essere reindirizzato e riutilizzato in altre parti del processo di produzione.
Nei casi in cui la CO2 viene utilizzata per la refrigerazione a bassa temperatura, viene utilizzata sia come refrigerante conduttore di calore, sia in cascata con un altro refrigerante (R404A, NH3, R134a, ecc.).
Con l'R744 è necessario tenere conto di quanto segue:
- Alta pressione: i circuiti di CO2 funzionano a pressioni molto più elevate (sino a 120 bar) rispetto a un sistema R404A convenzionale. Ciò richiede l'uso di componenti e tecniche di assemblaggio peculiari nel campo della refrigerazione.
- Manutenzione: la modalità di funzionamento richiede un design diverso rispetto ai sistemi HFC convenzionali che lo rende meno familiare alla maggior parte dei tecnici della refrigerazione, soprattutto nei supermercati.
- Costo: le alte pressioni richiedono più materiali leganti e con l'R744 la scelta è piu’ limitata e vi e’ la tendenza a costare di più.
Esistono anche altri refrigeranti alternativi sul mercato, in particolare gli HFO, che sono sospettati esser particolarmente perniciosi per aspetti legati al potenziale accumulo del loro prodotto di degradazione PFAS.
Refrigeranti HFO
Gli HFO sono conosciuti come la quarta generazione di refrigeranti. I loro predecessori sono stati i cosiddetti CFC, HCFC e HFC.
un elenco non esaustivo di refrigeranti HFO:
- R-1234YF o Tetrafluuropropene. Conosciuto anche con il marchio Solstice di Honeywell o Opteon di Chemours. 1234YF è stato il primo refrigerante HFO sviluppato dalle due società. L'uso previsto per il quale è nato (vedi oltre) è per le applicazioni automobilistiche e nel corso degli anni ha iniziato a diffondersi in tutta l'Unione europea e negli Stati Uniti. Vi è infatti un’alta probabilità che se state comprando un nuovo veicolo risulti dotato di refrigerante HFO-1234YF per il sistema di condizionamento.
- R-1234ze o Tetrafluropropene. E' un refrigerante progettato per essere un'alternativa nei chiller dell'aria condizionata commerciale installata nei supermercati o negli edifici commerciali.
- R-1233zd. È stato progettato per essere un sostituto dell’R-123. L'applicazione è mirata per i refrigeratori centrifughi. Ha un GWP molto basso pari a uno.
- R-513A o Opteon XP10. Un prodotto per sostituire R-134a per le macchine A/C fisse o stazionari.
- R-449A o Opteon XP40. Una sostituzione di Chemours per R-404A, R-507 e R-22 con una drastica riduzione del GWP e dodici per cento miglior efficienza energetica.
- R-452A o Opteon XP44. Un prodotto Chemours Opteon che sostituisce R-404 e R-507 principalmente per sistemi che richiedono basse temperature di scarico come i camion refrigerati oi vagoni ferroviari.
- R-452B o Opteon XL55. Un sostituto di Chemours per R-410A con una riduzione del GWP del 65%, alta efficienza e variazioni minime richieste durante il commissioning.
- R-514A o Opteon XP30. Altro prodotto Chemours che sostituisce R-123 con GWP inferiore, non infiammabile, ed è vicino ai livelli di prestazioni di R-123.
- R-450A o Solstice N13. Un retrofit di Honeywell per R-404A. L'applicazione mira ai banchi frigoriferi dei supermercati per le applicazioni TN e BT. Ha il GWP del sessantotto per cento più basso di R-404A e richiede un quindici per cento meno energia per l'applicazione.
- R-448A o Solstice N40. Un retrofit di Honeywell per R-134a e R404A. L'applicazione mirata qui sono le pompe di calore, Chiller raffreddati ad acqua, distributori automatici e altre piccole unità stazionarie.
Guardando le cose da una prospettiva "chimica", gli HFO non sono niente di nuovo. Proprio come i loro omologhi HFC, gli HFO contengono idrogeno, fluoro e carbonio. L'unica differenza tra questi due refrigeranti è che gli HFO sono insaturi. In altre parole hanno almeno un doppio legame di carbonio. Queste molecole a doppio legame sono conosciute come Olefine o Alchene.
I nuovi refrigeranti HFO hanno il grande vantaggio di avere un GWP significativamente più basso ma il sacrificio che dobbiamo fare per conseguire questo è il rischio di infiammabilità.
Infiammabilita'
I refrigeranti hanno tre classificazioni di infiammabilità.
Il primo conosciuto come classe 1 indica i refrigeranti che non mostrano la propagazione della fiamma quando vengono testati secondo le caratteristiche del test ASTM-E681. Il test ASTM E681 è essenziale per determinare se un refrigerante è leggermente infiammabile (A2L) o non infiammabile (A1).
La classe 2 indica i refrigeranti che hanno un limite di infiammabilità inferiore. La designazione A2L richiede un limite inferiore di infiammabilità superiore al 3,5%, un calore di combustione inferiore a 19kJ / g e una velocità di fiamma laminare inferiore a 10cm /s. Le miscele di refrigeranti A2L e A1 possono determinare la classificazione A1 e il basso livello di GWP.
Infine, la classe 3 indica i refrigeranti altamente infiammabili.
Un esempio di un refrigerante di infiammabilità di classe 3 è l' R-290 noto anche come Propano.
Il refrigerante HFC R-134a ha un grado di infiammabilità di 1, proprio come la maggior parte degli altri refrigeranti HFC presenti sul mercato.
Alcuni HFOs, tra cui HFO-1234yf, HFO-1234ze (E), sono infiammabili, mentre altri non sono, come ad esempio HFO 1336mzz (Z) e HFO-1233zd (E).
Gli HFO come tutti gli altri refrigeranti presenti sul mercato sono sicuro se manipolati ed utilizzati da personale preparato e competente. Se sai cosa stai facendo allora non ci sono problemi.
Oltre ai problemi di sicurezza legati all'infiammabilità degli HFO, essi hanno un potenziale per quel che riguarda la formazione di acidi pericolosi (TFA). Ne abbiamo parlato in altra occasione, ed esistono degli articoli scientifici che ne riportano le prime evidenze.
Come tutti gli altri idrocarburi alogenati, l'HFO è facilmente decomponibile sotto l'influenza di alte temperature sino a formare fluoruro di idrogeno - gas molto solubile in acqua che forma facilmente acido, provocando irritazioni cutanee, irritazioni agli occhi e irritazioni della gola e potrebbe portare alla morte. È abbastanza evidente che i refrigeranti infiammabili hanno maggiore probabilità di avere sotto effetto le alte temperature e quindi comportano un maggiore rischio di formazione di sostanze pericolose.
Gli HFO sono dei VIP ?
Gli HFO, essendo tecnicamente HFC, hanno sorprendentemente ricevuto diritti speciali da parte di molti. Ad esempio, il regolamento n. 517/2014, adottato di recente ed in corso di recepimento in Italia, sui gas a effetto serra fluorurati esclude gli HFO dalla definizione di "idrofluorocarburi" e pertanto non li include nel loro ambizioso programma di riduzione del quantitativo di idrofluorocarburi immessi sul mercato .Al contrario, nella proposta di revisione sembra che gli HFO verranno inseriti nelle molecole da monitorare e ridurre.
Il Giappone adotta simili comportamenti e ha rimosso un certo numero di HFO dal loro "atto sull'utilizzo razionale e la corretta gestione dei fluorocarburi", recentemente entrato in vigore (Coolingpost, "Japan excludes HFOs from new emissions law," 14 06 2015. bit.ly/Japan_act).
I marchi degli HFO
Mentre stiamo scrivendo questo articolo siamo a conoscenza dell'esistenza di due soli marchi di fabbrica di HFO e sono entrambi provenienti dai due maggiori produttori di refrigeranti del mondo: DuPont / Chemours e Honeywell.
Il nuovo marchio Honeywell per i refrigeranti HFO è conosciuto come Solstice.
DuPont, ora diventata Chemours, ha brevettato il marchio noto come Opteon.
Quando un nuovo refrigerante viene rilasciato sotto questi marchi viene rilasciato con un nome diverso; un esempio è l' R-513A conosciuto come Opteon XP10. Un altro esempio è il refrigerante 1234YF. Questo refrigerante da Honeywell è denominato Solstice YF. Ma comprandolo da Chemours è denominato Opteon YF. E' la stessa cosa, con etichettatura diversa.
L'applicazione dei nuovi HFO si è estesa da quando sono stati utilizzati come componente delle miscele per refrigeranti a basso GWP. Per esempio, HFO-1234yf e / o HFO-1234ze (E) sono componenti di nuove miscele di refrigeranti (ad esempio R448A, R449A, R450A, R513A) che mirano a sostituire i refrigeranti tradizionali ad alto impatto ambientale. Queste nuove miscele di refrigeranti sono già supportate dai principali produttori di compressori (si faccia riferimento allo Statement di Asercom che abbiamo già pubblicato) con alcune preoccupazioni di affidabilità dovute a temperature relativamente più elevate di scarico dei compressori di alcuni dei nuovi refrigeranti.
Ciò detto, gli HFOs sono una nuova gamma di refrigeranti sintetici che promettono di essere parte di una possibile soluzione ai problemi ambientali.
Tuttavia, considerando le indagini in corso in merito alla loro sicurezza, e guardando indietro alle generazioni precedenti di refrigeranti sintetici, è ancora troppo presto per sapere se rappresentano la soluzione a lungo termine o no.
Ma ora spetta ai progettisti e agli operatori specificare qualcosa di nuovo per far avanzare il settore.
CSIM supporta le imprese in questo percorso di cambiamento, con attivita' di consulenza tecnica, normativa e di supporto ad un percorso di miglioramento ESG. Per CONTATTI
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