Sempre di più, i governi spingono i produttori di impianti e sistemi a migrare verso l'impiego di sostanze chimiche che non abbiano un impatto negativo sull'ambiente. Per il settore refrigerazione/raffreddamento, ciò significa sostituire le vecchie classi di refrigeranti chimici con prodotti meno dannosi e più "green", che non contribuiscano ad assottigliare lo strato di ozono e che abbiano un basso impatto sul riscaldamento globale.
Tali refrigeranti alternativi sono sostanze naturali, non sintetiche, che possono essere utilizzate come fluidi frigorigeni in frigoriferi e condizionatori, e comprendono idrocarburi (propano, butano e ciclopentano), CO2, ammoniaca, acqua e aria.
A causa delle recenti normative, gli OEM che producono sistemi di refrigerazione e condizionamento si trovano ad affrontare nuove sfide per quanto riguarda la scelta del refrigerante adatto e anche di componenti che possano affrontare specifiche complessità tecniche e caratteristiche prestazionali. Detto questo, quali sono le opzioni disponibili? Come sceglierle?
Tipi di refrigerante
Esistono due criteri importanti per determinare se un refrigerante è o non è sufficientemente eco-compatibile: il primo è il suo potenziale di riduzione dell'ozono (Ozone Depletion Potential o ODP); il secondo è il suo potenziale di riscaldamento globale (Global Warming Potential o GWP). L'ODP costituisce il valore relativo del degrado dello strato di ozono che una sostanza può causare. Il GWP costituisce il valore relativo della quantità di calore che un gas serra intrappola nell'atmosfera.
Gli attuali refrigeranti HFC R404a e R134a hanno valori GWP estremamente alti (3.922 il primo, 1.430 il secondo) e quindi dannosi per l'ambiente. Se prendiamo in esame il propano R290, che è un idrocarburo naturale e che costituisce una nuova alternativa al refrigerante R404A, possiamo notare che il suo GWP è estremamente basso (appena 3). Oggi come oggi, l'industria è già passata in gran parte dall'R404A all'R134A, ma decidere di usare l'R290 comporterebbe maggiori vantaggi per il futuro.
Gli idrocarburi
Molti dei refrigeranti naturali di nuova generazione sono a base di idrocarburi (HC) e comprendono propano (R290), isobutano (R600a), da utilizzarsi tipicamente in unità di piccole dimensioni come ad esempio gli elettrodomestici, e l'R32, composto dal propano R290 e da un altro refrigerante.
Le proprietà termodinamiche del propano R290 sono superiori rispetto ai vecchi refrigeranti HFC R134a e R404a. Inoltre, la sua capacità termica è circa il 90% maggiore dell'R134a e il 140% maggiore dell'R404a. Queste proprietà consentono all'R290 di assorbire più calore a una velocità accelerata, aumentando l'efficienza del dispositivo, con un recupero più rapido della temperatura e un minor consumo di energia.
Il lato negativo di questa nuova generazione di refrigeranti a base di idrocarburi è che sono altamente infiammabili e, pertanto, richiedono che i sistemi e i componenti impiegati per la refrigerazione e il raffreddamento si avvalgano di tecnologie diverse e più sicure.
L'anidride carbonica (CO2)
In un tipico sistema di climatizzazione, la CO2 necessita di una pressione maggiore rispetto agli idrocarburi (quasi il doppio) ed è per questo molto più difficile da gestire. D'altra parte, la CO2 ha un GWP pari a 1, mentre gli idrocarburi hanno un potenziale di riscaldamento globale tre volte maggiore.
L'ammoniaca
L'ammoniaca presenta valori ODP e GWP pari a zero e si decompone rapidamente. Il problema è che la sua alcalinità è estremamente corrosiva, quindi i componenti utilizzati nei vari impianti richiedono un'attenta analisi della compatibilità dei materiali.
Indipendentemente dal refrigerante scelto, ogni opzione porta con sé un certo numero di ostacoli e sfide per i produttori OEM e i fabbricanti dei relativi componenti, non ultimo i tipi di pressostati e sensori che possono essere utilizzati e come questi vengano progettati e testati.
Risolvere la sfida dell'alta pressione
Nei sistemi di oggi, ogni singolo componente è legato a determinate condizioni di esercizio e intervalli di pressione. Anche se la CO2 non è combustibile, per funzionare richiede un livello di pressione quasi doppio rispetto al valore standard dei moderni sistemi di climatizzazione. Questo aspetto comporta la progettazione di componenti speciali come pressostati capaci di garantire un funzionamento affidabile dei sistemi a base di CO2; a sua volta, queste esigenze vanno ad influire sulla produzione.
Alcuni produttori di bevande, ad esempio, ora chiedono che i distributori automatici utilizzino CO2 anziché i refrigeranti HFC R134a. Per motivi di sicurezza, queste unità di raffreddamento ora necessitano di un pressostato integrato. Oltre alle sfide legate alla sicurezza, la CO2 è meno efficiente degli idrocarburi, e consuma più elettricità per ottenere la stessa potenza di riscaldamento o raffreddamento.
I pressostati necessari nei sistemi di refrigerazione a CO2 proteggono da eventuali esplosioni dovute all'alta pressione o da pressioni eccessive che potrebbero causare la rottura delle serpentine. Quando la pressione raggiunge un determinato livello, l'interruttore apre il contatto elettrico e spegne il compressore del sistema. Quando la pressione scende a livelli normali, riaccende automaticamente il compressore. Il mercato di oggi, tuttavia, vuole ancora più sicurezza. Poiché gli interruttori sono dispositivi elettromeccanici, possono innescare scintille all'apertura e chiusura dei contatti e questo, ovviamente, può essere pericoloso. Quindi, qual è la soluzione?
Sigillare la sicurezza per refrigeranti infiammabili
Per evitare che una scintilla causi accidentalmente l'accensione dei refrigeranti a base di idrocarburi, i progettisti dei componentistica come Sensata hanno integrato una maggiore sicurezza nei propri pressostati optando per un design ermetico che "sigilla la scintilla" all'interno, isolando la sostanza specifica (propano R290) dal gruppo dell'interruttore elettrico.
Ogni interruttore viene realizzato applicando una chiusura ermetica attorno al percorso del gas e un sigillante attorno ai collegamenti elettrici. Le connessioni degli interruttori elettrici segnalano al sistema se l'interruttore è aperto o chiuso. Questo design elimina completamente un'eventuale rischio di esplosione impedendo al gas di entrare nel vano dell'interruttore elettrico, dove possono generarsi archi durante le operazioni di apertura o chiusura dei contatti.
Qualunque sia l'interruttore scelto, è necessario assicurarsi che sia stato rigorosamente testato da un'agenzia esterna autorizzata per resistere alle condizioni cui verrà esposto e ai refrigeranti con cui dovrà operare.
Sensori di pressione e feedback di sistema
In ambienti in cui servono informazioni relative alla pressione del sistema, è necessario installare un sensore di pressione, anziché un interruttore. I pressostati sono legati alla sicurezza in senso stretto; i sensori di pressione, invece, forniscono informazioni e dati sulla sicurezza che possono essere utilizzati per aumentare l'efficienza energetica del sistema.
Se l'obiettivo è quello di mantenere la pressione entro un intervallo costante, è possibile utilizzare il sensore di pressione per regolare il sistema. Ad esempio, se in un supermercato la pressione supera il normale intervallo d'esercizio, un sensore di pressione potrebbe fornire un feedback che a sua volta potrebbe attivare il pressostato e/o spegnere o accendere il sistema di condensatori in modo da riportare la pressione entro l'intervallo specificato. Inoltre, il sensore di pressione potrebbe segnalare il problema a un tecnico o a chi si occupa della manutenzione in modo da procedere a una riparazione permanente. Potrebbe inviare un semplice avviso in locale o tramite cloud alla persona o all'azienda preposta.
Molti produttori di sistemi OEM potrebbero inoltre utilizzare i dati generati da un sensore di pressione per capire il funzionamento dei propri sistemi HVAC nel tempo.