Progettazione e dimensionamento di un circuito sperimentale per analisi fluidi refrigeranti a basso impatto ambientale

The halogen olefins, in particular R-1234yf and R-1234ze, were recognized as substitutes of R-134a in the automotive air conditioning systems. These refrigerants have a GWP (Global Warming Potential) lower than 150, that is the limit set by the EU directive 2006/40, that blocked the use of R-134a on the prototypes starting the 1st January 2011 and on the normal vehicles starting the 1st January 2017. The olefins have properties that are similar to those of R-134a, that’s why they allow drop-in solutions in the installations that work with R-134a, reaching performances that are slightly lower than the original cycle. The researches on the olefins are focused primarily on the automotive installations. For this reason, considering the possibility that the use of R-134a may be limited on the static installations too, was projected an experimental circuit that allows the use of R-134a and olefins as refrigerant, putting up results that are reliable and allowing the study of components that permit an improvement on the cycle’s performances. The installation works with circulating water that exchanges thermal power with the high and low pressure side of the refrigerant cycle, permitting the regulation of the thermal power exchanged on each heat exchanger, in order to obtain measures of the heat transfer coefficient of the refrigerant. The circuit has been sized to have an electrical power, in nominal conditions using R-134a, of 5,59 kW, obtaining a thermal power of 27,7 kW on the high pressure side and of 22,3 kW on the low pressure side. Subsequently, considering the required flow rates of both refrigerant and water, the velocity inside the pipes and the highest working pressure and temperature, were sized the plant’s pipes and components (valves, pumps, tanks). Once all the components were chosen it has been made an analysis of the combined uncertainty. The results of this analysis were compared with the limits given by the standards, in order to choose the measuring instruments that guarantee to obtain reliable results. In the end it was studied the measurement uncertainty on the heat exchange coefficient using the Wilson plot.

I fluidi refrigeranti appartenenti alla famiglia delle olefine alogenate, in particolare l’R-1234yf ed l’R-1234ze, sono stati individuati come i sostituti dell’R-134a nei sistemi di condizionamento del settore automobilistico. Questi fluidi hanno un GWP (Global Warming Potential) inferiore al valore di 150, limite fissato dalla direttiva 2006/40 del Parlamento Europeo, che ha bloccato l’utilizzo dell’R-134a nei prototipi a partire dal 1° gennaio 2011 e nelle vetture messe sul mercato a partire dal 1° gennaio 2017. Le olefine hanno proprietà simili a quelle dell’R-134a, per questo motivo permettono soluzioni di drop-in negli impianti di refrigerazione funzionanti con l’R-134a, ottenendo prestazioni leggermente inferiori a quelle del ciclo originale. Le ricerche sulle olefine si concentrano in particolare sul settore automobistico. Per questo motivo, considerando anche la possibilità che l’utilizzo dell’R-134a venga limitato nelle applicazioni statiche, è stato progettato un circuito di prova che permetta di utilizzare sia l’R-134a che le olefine, ottenendo risultati attendibili per i fluidi refrigeranti utilizzati e permettendo lo studio di componenti che permettano il miglioramento delle prestazioni del ciclo. E’ stato progettato un impianto con acqua circolante che scambi potenza termica con la parte ad alta pressione e quella a bassa pressione del circuito frigorifero, permettendo anche la regolazione della potenza termica scambiata su ogni scambiatore, al fine di ottenere delle misure sui coefficienti di scambio termico del fluido refrigerante. L’impianto è stato progettato per avere una potenza elettrica, in condizioni di funzionamento nominali utilizzando l’R-134a, pari a 5,59 kW, ottenendo una potenza termica scambiata pari a 27,7 kW sul lato della condensazione e di 22,3 kW sul lato dell’evaporazione. In seguito, valutando la portate necessarie, sia d’acqua che di fluido refrigerante, le velocità all’interno dei tubi, pressioni e temperature massime di funzionamento, sono state dimensionate le tubazioni dell’impianto e i componenti che lo compongono (valvole, pompe, serbatoi). Scelti i componenti è stata effettuata un’analisi sull’incertezza combinata. I risultati di quest’analisi sono stati confrontati con i limiti descritti nelle norme, per permettere una scelta degli strumenti di misura che garantisca l’ottenimento di risultati attendibili dal punto di vista normativo. Come ultimo punto si è studiata l’incertezza di misura sul coefficiente di scambio termico utilizzando il Wilson plot.