Environmentally friendly high-glide refrigerant blends for high-temperature heat pumps and next-generation refrigerators (Glide4Heat)

Abstract

Nel settore HVAC&R, da diversi anni è in atto un processo di riduzione delle emissioni di gas serra climalteranti che impone la sostituzione dei refrigeranti sintetici tradizionalmente impiegati, segnatamente gli idrofluorocarburi (HFC), con refrigeranti a basso GWP. La ricerca di refrigeranti di nuova generazione, ad alta efficienza ed ecocompatibili, da impiegare nelle pompe di calore e nei sistemi di refrigerazione, rappresenta quindi una delle principali direzioni di sviluppo. In tale contesto, la soluzione più promettente sembra essere l’utilizzo di fluidi naturali, come ammoniaca, anidride carbonica o idrocarburi. Sebbene questi refrigeranti siano presenti in natura e, quindi, non danneggino l’ambiente, il loro impiego comporta sfide rilevanti legate a proprietà sfavorevoli: l’ammoniaca è tossica e moderatamente infiammabile, l’anidride carbonica richiede pressioni operative elevate e presenta basse prestazioni a causa della bassa temperatura critica, mentre gli idrocarburi sono altamente infiammabili. Di conseguenza, risulta particolarmente importante indagare le prestazioni di loro miscele, essendo possibile, con esse, smorzare, se no addirittura annullare, questi aspetti svantaggiosi.

Ente finanziatore: Unione Europea e Ministero dell’Università e della Ricerca

Tipologia programma: PRIN (Progetti di Ricerca di Rilevante Interesse Nazionale)

Data inizio: 28/09/2023

Data fine: 27/09/2025

MESI
12

Ruolo Polimi: Coordinatore

Altri Partner: Università degli Studi di Padova, Università degli Studi di Udine

Referente Dipartimento di Energia: 
Prof. Luca Molinaroli

Finanziamento totale progetto:

200.000 €

Finanziamento Dipartimento di Energia:

33%

Obiettivi

L’obiettivo del progetto è lo studio delle miscele di anidride carbonica (CO₂) e idrocarburi (HCs) come fluidi operativi a basso Global Warming Potential (GWP) per la prossima generazione di pompe di calore e sistemi frigoriferi. La nuova famiglia di miscele basate su sostanze naturali mira a mitigare sia gli svantaggi tipici dell’anidride carbonica (bassa temperatura critica, pressioni operative elevate, alta temperatura di mandata del compressore e bassa efficienza) sia quelli degli idrocarburi (in particolare la infiammabilità).
Nel complesso, il progetto analizzerà miscele capaci di migliorare il funzionamento dei sistemi sotto tre profili principali:
• Prestazioni energetiche, grazie all’estensione del funzionamento in regime subcritico, con conseguente miglioramento del COP rispetto alla CO₂ pura;
• Affidabilità, poiché lo stress termo-meccanico sul compressore risulta ridotto;
• Sicurezza operativa, in quanto l’infiammabilità della miscela è inferiore rispetto a quella dell’idrocarburo puro.

Queste miscele presentano però anche delle sfide, in quanto sono miscele zeotropiche, ovvero mostrano una variazione di temperatura durante i processi di cambiamento di fase. Sebbene nella letteratura tecnico-scientifica di settore il comportamento zeotropico sia considerato un limite, in questo progetto il glide viene interpretato come un’opportunità per ottimizzare le prestazioni del sistema, soprattutto in applicazioni in cui il fluido secondario che attraversa gli scambiatori di calore va incontro ad ampie variazioni di temperatura essendo possibile, grazie al glide, ottenere un miglior adattamento dei profili termici tra il fluido e il fluido sorgente o pozzo, migliorando significativamente il rendimento globale rispetto ai fluidi puri con transizione di fase a temperatura costante. Questa situazione è comune in numerose applicazioni industriali quali, ad esempio, il teleriscaldamento e il settore dell’industria alimentare.

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