Analisi teorica e sperimentale delle prestazioni di fluidi refrigeranti secondari per pompe di calore aria-acqua

The objective of this thesis is to analyze theoretically and experimentally possible secondary refrigerant fluids alternative to the classic aqueous mixtures of ethylene glycol or propylene glycol usable in indirect systems, with the aim of increasing the overall efficiency of the system they are part of. In this regard, a bibliographic research was carried out to find possible heat transfer fluids, carrying out a first skimming by analyzing their thermophysical, toxicity and security properties. Chosen the possible candidates consisting of aqueous mixtures of ethyl alcohol, methyl alcohol, potassium acetate, acetate/formate potassium and potassium formate, in addition to the classic aqueous mixtures of ethylene glycol and propylene glycol, experimental tests were carried through a dedicated test bench, in order to measure and verify the main thermophysical properties possessed by these fluids at different temperatures and compare them with the literature data. Through a qualitative analysis using graphs, the aqueous mixture of ethyl alcohol was hypothesized as a possible alternative fluid to ethylene glycol, as it owns good thermophysical characteristics. Furthermore, at equal heat capacity and power exchanged with respect to all the other mixtures, it obtained the lowest pressure drop and consumption values related to the movement of the secondary fluid in the test circuit. Further experimental tests were carried out, focusing on the heat exchange of mixtures composed of ethylene glycol and ethyl alcohol, with the aim of analyzing the overall heat transfer coefficient possessed. In order to analyze also this important aspect, in addition to the thermophysical properties only. However, it has been noted that the choice of a secondary fluid that can provide a valid alternative to the classic antifreezing mixtures is complicated since the thermophysical and heat exchange properties of the fluids depend on many factors. In this regard, simulations were carried out using a mathematical model consisting of an air-water heat pump in heating mode with two different delivery water temperatures in different operating conditions for the climate of northern Italy. Simulations showed that, in reality, the ethyl alcohol mixture was the least performing fluid of all, with the lowest values of COP_sys for all the tests carried out. The best results, with greater percentage differences in terms of overall system performance ranging from about 7.5% to about 1% for the various simulated operating conditions, were obtained using the mixture of acetate/formate potassium and the mixture of potassium formate, which had been discarded as possible alternatives to glycols, due to their low specific heat values and to the still not entirely known problems related to safety in their use. With these tests it has therefore been confirmed that there are real possibilities to replace ethylene glycol and propylene glycol as heat transfer fluids in indirect systems. Despite this, for simulations with low operating temperatures in design conditions and under partial load conditions, the system’s performance values related to the use of all the mixtures have negligible differences, equal to less than 1%, feeding once again doubts about the possibility of replacing the classic antifreeze water mixtures. So, the next step will be to make comparisons between the various mixtures, also analyzing the problems related to corrosion and material’s compatibility, safety, toxicity, duration and stability of the mixture within the secondary circuit and to costs related to installation and maintenance, thus obtaining a complete picture for the various mixtures and being able to say with absolute certainty whether or not there is the possibility and the convenience of replacing the mixtures of ethylene glycol and propylene glycol.

L’obiettivo di questo elaborato di tesi è quello di analizzare teoricamente e sperimentalmente dei possibili fluidi refrigeranti secondari alternativi alle classiche miscele acquose di glicole etilenico o glicole propilenico utilizzate in sistemi indiretti, con lo scopo di aumentare l’efficienza globale del sistema di cui ne fanno parte. A tale proposito è stata svolta una ricerca bibliografica per trovare dei possibili fluidi termovettori, svolgendo una prima scrematura analizzando le loro proprietà termofisiche, di tossicità e di sicurezza. Scelti i possibili candidati costituiti dalle miscele acquose di alcol etilico, alcol metilico, acetato di potassio, acetato/formiato di potassio e formiato di potassio, oltre alle classiche miscele acquose di glicole etilenico e glicole propilenico, sono state svolte delle prove sperimentali tramite un banco prova dedicato per poter misurare e verificare le principali proprietà termofisiche possedute da tali fluidi a diverse temperature e confrontarle con i dati della letteratura. Attraverso un’analisi qualitativa mediante dei grafici è stato ipotizzato come possibile fluido alternativo al glicole etilenico la miscela acquosa di alcol etilico, in quanto possiede delle buone caratteristiche termofisiche. Inoltre a pari capacità termica e potenza scambiata rispetto a tutte le altre miscele otteneva i più bassi valori di perdite di carico e di consumi legati alla movimentazione del fluido secondario nel circuito di prova. Sono state quindi condotte delle ulteriori prove sperimentali focalizzate sullo scambio termico per le miscele composte da glicole etilenico e alcol etilico, con lo scopo di analizzare il coefficiente di scambio termico globale posseduto. In modo tale da analizzare anche questo aspetto importante oltre che alle sole proprietà termofisiche. Si è notato però come la scelta di un fluido secondario che possa fornire una valida alternativa alle classiche miscele anticongelanti è complicata in quanto le proprietà termofisiche e di scambio termico dei fluidi dipendono da molti fattori. A tal proposito sono state svolte delle simulazioni tramite un modello matematico costituito da una pompa di calore aria-acqua in modalità riscaldamento con due differenti temperature dell’acqua in mandata in diverse condizioni operative per il clima del nord Italia. Dalle simulazioni è emerso come in realtà la miscela di alcol etilico fosse il fluido meno prestante di tutti, con i minori valori di COP_sys per tutte le prove svolte. I risultati migliori, con delle differenze percentuali in termini di prestazioni globali del sistema maggiori che variano dal 7.5% circa all’1% circa per le varie condizioni operative simulate, sono stati ottenuti utilizzando la miscela di acetato/formiato di potassio e la miscela di formiato di potassio, le quali erano state scartate come possibili alternative ai glicoli a causa dei loro bassi valori di calore specifico e ai problemi ancora non del tutto noti legati alla sicurezza nel loro utilizzo. Con tali prove è stato dunque confermato come ci sono delle reali possibilità di sostituire glicole etilenico e glicole propilenico come fluidi termovettori nei sistemi indiretti. Nonostante ciò per le simulazioni con temperature operative basse in condizioni di progetto e in condizioni di carico parziale i valori delle performance del sistema relativi all’utilizzo di tutte le miscele possiedono delle differenze irrisorie, pari a meno dell’1% alimentando ancora una volta i dubbi sulla possibilità di sostituire le classiche miscele acquose anticongelanti. Dunque il prossimo passo dovrà essere quello di effettuare dei confronti tra le varie miscele analizzando anche i problemi legati alla corrosione e alla compatibilità dei materiali, alla sicurezza, alla tossicità, alla durata e stabilità della miscela all’interno del circuito secondario e ai costi legati all’impianto e alla manutenzione, ottenendo così un quadro completo per le varie miscele e poter affermare con assoluta certezza se vi è o no la possibilità e la convenienza di sostituire le miscele di glicole etilenico e glicole propilenico.