Acqua come fluido refrigerante

4 min. lettura - Pubblicato il settembre 7, 2020

L'acqua è uno dei refrigeranti più potenti della natura. I sistemi Oxycom sfruttano al massimo questa proprietà unica e producono raffreddamento mediante l'evaporazione dell'acqua. Lo facciamo in diversi modi innovativi. In questo blog, illustriamo perché l'acqua è un'eccellente alternativa al refrigerante R-22 che riduce lo strato di ozono nel condizionamento dell'aria convenzionale e come funziona il raffreddamento ad acqua. Inoltre, mostreremo le statistiche sui benefici della sostenibilità e sulle emissioni di CO₂ risparmiate.


Perché l'acqua?

I refrigeranti funzionano come fluidi di lavoro nei condizionatori d'aria, pompe di calore e sistemi di refrigerazione assorbendo e rilasciando calore mentre subiscono continue transizioni di fase tra lo stato gassoso e lo stato liquido in un ciclo di refrigerazione chiuso.

R-22 (un idroclorofluorocarburo o HCFC) è stato a lungo il refrigerante più utilizzato negli impianti di condizionamento dell'aria, ma oggi viene sempre più eliminato a causa del suo comportamento dannoso per l'ozono. Invece, i sostituti senza cloro hanno guadagnato popolarità, in particolare gli idrofluorocarburi (HFC), come R-410A, R-407C e R-134a.

L'acqua è anche uno dei molti refrigeranti disponibili, con le sue proprietà uniche e il suo codice refrigerante (R718). In senso stretto, anche la tecnologia del raffreddamento evaporativo utilizza l'acqua come refrigerante, ma invece di essere ripetutamente evaporata e condensata in un sistema a ciclo chiuso, viene continuamente evaporata raffreddando e umidificando un flusso d'aria.

L'acqua è molto adatta a questo scopo, in quanto è uno dei refrigeranti più potenti della natura, con un calore latente di vaporizzazione eccezionalmente elevato (2501 kJ/kg a 0 °C). Come tale, l'evaporazione dell'acqua ad una velocità di 1 L/h genera fino a 695 W di potenza di raffreddamento.


Tecnologia di raffreddamento convenzionale

La climatizzazione a compressione di vapore è la tecnologia più utilizzata per la climatizzazione, la pompa di calore e i sistemi di refrigerazione utilizzati per scopi residenziali, commerciali e industriali. Questi sistemi sono costituiti da quattro componenti principali attraverso i quali il refrigerante viene pompato in un ciclo chiuso:

 

  • Il compressore comprime adiabaticamente il refrigerante gassoso, aumentandone così la pressione e la temperatura.
  • La serpentina del condensatore permette al refrigerante gassoso di condensare allo stato liquido a pressione costante, rilasciando così calore all'ambiente circostante.
  • La valvola di espansione provoca l'espansione del refrigerante liquido, abbassando così la pressione e la temperatura.
  • La serpentina dell'evaporatore permette al refrigerante liquido di evaporare allo stato gassoso a pressione costante, assorbendo così il calore dall'ambiente circostante.


Tecnologia di raffreddamento evaporativo

Nel raffreddamento evaporativo, un flusso d'aria insatura viene portato a diretto contatto con una superficie bagnata. Lo strato limite intorno alla superficie bagnata è naturalmente saturo di vapore acqueo. Mentre l'aria insatura scorre lungo lo strato limite, il vapore acqueo si diffonde nel flusso d'aria, spinto da una differenza di concentrazione del vapore. Il contenuto di vapore acqueo nello strato limite viene poi riportato al suo naturale stato saturo dall'evaporazione adiabatica dell'acqua. Il calore latente necessario per il cambiamento di fase dell'acqua viene prelevato dal calore sensibile del flusso d'aria, con conseguente riduzione della temperatura dell'aria.

La temperatura più bassa raggiungibile è la temperatura a bulbo umido dell'aria, ma in pratica è un po' più alta a causa di un'efficienza limitata. L'efficienza di saturazione o efficienza a bulbo umido è definita come il rapporto tra la riduzione della temperatura effettivamente raggiunta e la massima riduzione di temperatura possibile.


Generazione di energia elettrica

Prima di esaminare la differenza di efficienza energetica tra il raffreddamento evaporativo e il raffreddamento convenzionale, diamo un'occhiata a quanto costa generare energia. Ci sono vari tipi di combustibili disponibili che le centrali elettriche possono utilizzare per generare elettricità. Per esempio in Medio Oriente e in molte altre parti del mondo, usano petrolio e gas naturale, emettendo così grandi quantità di CO₂. Le centrali elettriche richiedono anche acqua per la produzione di elettricità, che viene utilizzata principalmente per il raffreddamento. Ad esempio, le centrali elettriche a petrolio consumano 2,33 litri d'acqua ed emettono 0,76 kg diCO₂ per kWh di elettricità prodotta.


Raffreddamento evaporativo rispetto al raffreddamento convenzionale

Sono stati effettuati calcoli comparativi sia per il raffreddamento evaporativo che per la tecnologia convenzionale di condizionamento dell'aria a parità di potenza di raffreddamento. Il raffreddamento evaporativo con una velocità di evaporazione arbitraria di 1 litro di acqua all'ora è stato scelto come linea di base, corrispondente a 695 W di potenza di raffreddamento. Si presume che l'elettricità sia generata in centrali elettriche a petrolio. L'acqua destinata ad essere utilizzata nei raffreddatori evaporativi dovrebbe essere preferibilmente di qualità potabile. Tipicamente, la desalinizzazione per osmosi inversa richiede circa 4 kWh di energia elettrica per m³ di acqua.

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Conclusione

Per quanto riguarda il solo aspetto del puro raffreddamento, l'utilizzo della tecnologia di raffreddamento evaporativo al posto della tradizionale tecnologia di condizionamento dell'aria a compressione di vapore riduce di oltre il 98% il consumo di elettricità e le emissioni CO₂.

La tecnologia del raffreddamento evaporativo richiede per sua natura l'evaporazione dell'acqua, ma i sistemi di condizionamento dell'aria a compressione di vapore esistenti consumano indirettamente quantità significative di acqua. Pertanto, la diffusione crescente della tecnologia di raffreddamento evaporativo avrà un impatto minore sul consumo globale di acqua di quanto ci si possa aspettare.

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Pubblicato il settembre 7, 2020

Mark Hakbijl

"Nel dipartimento di ricerca e sviluppo di Oxycom combiniamo i principi della natura con la più avanzata tecnologia per creare soluzioni climatiche sostenibili."

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