Sostituzione dell'R410A con refrigeranti a basso impatto ambientale : progettazione preliminare di una pompa di calore acqua-acqua a propano e confronti

This paper deals with the issue of substitution of traditional refrigerant fluids used inside vapour compression systems with low-impact substances. After a brief excursus with operating principles and thermodynamic analysis of this type of thermal machines, attention is focused to the topic of the nature of refrigerants, examining, with the aid of inherent legislation, the various effects in terms of local impact (toxicity - flammability) and global impact (primarily greenhouse effect), presenting the indexes and parameters used for the classification of fluids in reference to these issues. Downstream of this introduction, the text focuses on the design process of a water-to-water heat pump that uses as working fluid propane (R290), a refrigerant with a low polluting potential on a global scale but characterized by a high flammability risk. The use of this fluid pushes to adopt an indirect evaporation configuration, with two plate heat exchangers and a finned coil heat exchanger for transferring the thermal powers involved, in order to reduce the refrigerant charge contained in the machine. Once the characteristic points of the thermodynamic cycle have been defined and the main components have been identified, the analysis focuses on the dimensioning of the finned coil heat exchanger, implemented thanks to a model specially developed on a spreadsheet, which allows to define the component geometry and yield in detail. Then, after calculating the efficiency of the system constructed as described, a parallelism is presented between this machine and similar machines using fluorinated refrigerants, as R32, R410A and R452B. A technical-economic comparison is therefore set up in order to allow a complete evaluation of the opportunity to produce propane systems, which, although they are not the most economically advantageous solution, are incentivized by the much lower climate-changing impact that characterizes them, ensuring lower impact on the mechanism of CO2 equivalents shares introduced by the European Union.

Il presente elaborato affronta il tema della sostituzione dei fluidi refrigeranti tradizionalmente utilizzati all’interno dalle macchine a compressione di vapore con fluidi a basso impatto ambientale. Dopo un breve excursus con principi di funzionamento e analisi termodinamica di tale tipologia di macchine termiche, l’attenzione si rivolge dunque al tema della natura dei refrigeranti, esaminandone, con l’ausilio della normativa inerente, le varie ricadute in termini di impatto locale (tossicità – infiammabilità) e globale (effetto serra in primis), presentando quelli che sono gli indici e i parametri utilizzati per la classificazione dei fluidi in riferimento a tali tematiche. A valle di questo cappello introduttivo, viene analizzato nei dettagli il processo di progettazione di una pompa di calore acqua-acqua che utilizza quale fluido di lavoro il Propano (R290), refrigerante dal basso potenziale inquinante su scala globale, ma caratterizzato da un alto rischio di infiammabilità. L’impiego di tale fluido spinge ad adottare una configurazione ad evaporazione indiretta, con due scambiatori di calore a piastre e una batteria alettata per trasferire le potenze termiche coinvolte, al fine di ridurre ai minimi termini la carica di refrigerante contenuta nella macchina. Una volta definiti i punti caratteristici del ciclo termodinamico e individuati i componenti principali, l’analisi si focalizza sul dimensionamento dello scambiatore alettato, implementato grazie ad un modello appositamente realizzato, che permette di definire nei dettagli geometria e resa del componente. Quindi, dopo aver proceduto al calcolo dell’efficienza del sistema così costruito, viene presentato un parallelismo tra tale macchina e altre analoghe utilizzanti refrigeranti fluorurati, ovvero R32, R410A e R452B. Viene dunque impostato un confronto tecnico-economico che permetta di valutare in maniera completa l’opportunità di produrre sistemi a Propano, i quali, pur non rappresentando la soluzione più economicamente vantaggiosa, risultano incentivati dall’impatto assai meno climalterante che li contraddistingue, garantendo minore impatto sul meccanismo delle quote di CO2 equivalenti introdotto dall’Unione Europea.