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Confronto fra refrigeranti
Lo stesso ciclo, alle stesse temperature e per la stessa potenza, risolto con fluidi diversi. Un diagramma per fluido, affiancati e con gli assi in comune: una pressione doppia si vede doppia, un lavoro specifico doppio si vede doppio.
Qualcuno non ce la fa a queste condizioni:
- R744 — A 45 °C l'R744 non condensa: la sua temperatura critica è 31,0 °C. Sopra quella soglia il ciclo diventa transcritico e il condensatore diventa un gas cooler — un'altra macchina, che questa pagina non calcola. Abbassa la temperatura di condensazione o cambia fluido.
Che cosa cambia davvero
Fra questi fluidi, alle stesse temperature, l'efficienza va da 3,72 a 3,88: uno scarto del 4 %. La cilindrata del compressore, a parità di potenza, varia invece del 88 %. È il motivo per cui la scelta del fluido non si fa guardando il COP.
Un diagramma per fluido
I diagrammi hanno la stessa scala di pressione e la stessa ampiezza dell'asse delle entalpie: è questo che li rende confrontabili e non soltanto accostati. Una pressione doppia si vede doppia, un tratto lungo cinquanta chilojoule è lungo uguale in tutti i riquadri.
Perché i diagrammi sono separati e non sovrapposti. Le entalpie di fluidi diversi hanno ciascuna il proprio zero, e quello zero per giunta non è un vero zero: è una convenzione di calcolo. Per i refrigeranti si usa quella dell'IIR — h = 200 kJ/kg per il liquido saturo a 0 °C — scelta perché i numeri vengano comodi, non perché a quella condizione il fluido abbia davvero quell'energia.
Si può fare perché nei bilanci non entra mai l'entalpia, entra sempre la sua differenza: il lavoro è h₂ − h₁, l'effetto frigorifero è h₁ − h₄, e in una differenza la costante additiva se ne va. Spostare lo zero non cambia un solo risultato.
Ma proprio per questo mettere due fluidi sullo stesso asse delle entalpie non vorrebbe dire niente: la loro distanza orizzontale sarebbe la differenza fra due convenzioni, non una grandezza fisica. Qui quindi ogni fluido ha il suo riquadro e la sua origine, e si confrontano le larghezze dei tratti — che sono energie vere — non le posizioni.
I numeri del ciclo
| Grandezza | R32 | R290 |
|---|---|---|
| COP | 3,72 | 3,88 |
| Rendimento di secondo principio | 55 % | 57 % |
| Pressione di evaporazione | 7,65 bar | 4,45 bar |
| Pressione di condensazione | 28,23 bar | 15,38 bar |
| Rapporto di compressione | 3,69 | 3,46 |
| Temperatura di fine compressione | 114 °C | 67 °C |
| Effetto utile specifico | 329,8 kJ/kg | 358,5 kJ/kg |
| Portata di massa | 30 g/s | 28 g/s |
| Portata volumetrica aspirata | 5,6 m³/h | 10,6 m³/h |
| Cilindrata necessaria | 1698 cm³ | 3197 cm³ |
| Potenza elettrica assorbita | 2,69 kW | 2,58 kW |
Quello che non si legge sul diagramma
| Fluido | GWP | Classe ASHRAE 34 | Ebollizione | T critica |
|---|---|---|---|---|
| R32 difluorometano | 675 | A2L — poco tossico, debolmente infiammabile | -51,7 °C | 78,1 °C |
| R290 propano | 3 | A3 — poco tossico, molto infiammabile | -42,1 °C | 96,7 °C |
Il GWP è il valore a cento anni del quarto rapporto IPCC, quello che il regolamento F-gas usa per i conti. La classe ASHRAE 34 dice tossicità (A bassa, B alta) e infiammabilità (1 nessuna, 2L bassa, 2 media, 3 alta): decide dove l'impianto si può mettere e con quali limiti di carica, e oggi pesa sulla scelta più del COP.
I limiti di questo confronto
I fluidi sono trattati come sostanze pure con l'equazione di Peng-Robinson. Per R410A, miscela quasi azeotropica, è un'approssimazione accettabile; per una miscela zeotropica vera lo scorrimento di temperatura negli scambiatori non è rappresentato, e il confronto le sarebbe favorevole più del dovuto.
Il confronto è a parità di temperature di evaporazione e condensazione, che è il modo giusto di confrontare cicli ma non è il modo in cui si confrontano le macchine: una macchina reale sceglie quelle temperature in base agli scambiatori che monta, e un fluido che lavora bene con scambiatori piccoli può battere sul campo uno che qui esce meglio. E per l'anidride carbonica, che alle temperature usuali di condensazione va in transcritico, un ciclo subcritico come questo non è il suo ciclo: se compare, il risultato va letto come «ecco perché non si fa così».