Addio alla refrigerazione tradizionale basata su compressori?

Addio alla refrigerazione tradizionale basata su compressori?

Da Ozgun Danaci, DNV GL

Fino a poco tempo fa, l'industria sanitaria si affidava a congelatori a bassissima temperatura (ULT) con sistemi di refrigerazione a cascata basati su compressori. I sistemi a cascata sono semplicemente due cicli di refrigerazione separati guidati da un compressore in una disposizione a cascata che raggiunge temperature ultra-basse rimuovendo il calore dal congelatore in due fasi. Il primo ciclo rimuove il calore dall'armadietto del congelatore con il suo evaporatore e rigetta quel calore nel secondo ciclo con il suo condensatore. Poiché c'è una differenza di temperatura significativa tra il condensatore del primo ciclo e l'evaporatore del secondo ciclo, si possono raggiungere temperature bassissime. Il secondo ciclo restituisce poi questo calore all'atmosfera per completare il ciclo di refrigerazione.

Figura: Sistema di refrigerazione a cascata basato su compressore [1]

I congelatori ULT con un sistema di refrigerazione a cascata basato sul compressore possono usare tanta energia quanta ne consuma annualmente una tipica famiglia statunitense. I sistemi a cascata possono emettere più di 70 tonnellate di CO2 durante la loro vita[2], contribuendo significativamente al riscaldamento globale. I sistemi Cascade usano refrigeranti sintetici che causano l'impoverimento dell'ozono. Oltre agli svantaggi ambientali, questi sistemi richiedono una quantità significativa di manutenzione a causa del numero di parti mobili e del funzionamento start-stop dei compressori.

Recentemente, sono stati introdotti sul mercato dei congelatori che utilizzano un sistema di raffreddamento Stirling come alternativa ai sistemi di refrigerazione basati su compressori per applicazioni a bassissima temperatura. Questi nuovi congelatori sono senza compressore e utilizzano un refrigeratore Stirling di tipo beta che è azionato da un motore lineare integrale. Il sistema consiste in un pistone, che è mosso dal motore lineare, e un dislocatore, che è mosso dal fluido di lavoro (il pistone e il dislocatore non sono accoppiati meccanicamente). Il dislocatore ha un lato caldo e uno freddo, dove avviene la compressione e l'espansione durante il ciclo di trasferimento del calore. Il lato freddo del refrigeratore è collegato a un termosifone guidato dalla gravità, dove il refrigerante scorre attraverso il tubo come liquido, assorbe il calore dal congelatore, si trasforma in vapore, risale il tubo e condensa di nuovo in liquido sul lato freddo del refrigeratore Stirling. Il gruppo pistone/dislocatore del raffreddatore Stirling sposta il calore sul lato caldo tramite un refrigerante e poi disperde il calore nell'atmosfera con una ventola.

Figura: Sistema di raffreddamento Stirling [3]

Un sistema di raffreddamento Stirling usa in media il 60% di energia in meno di un sistema di refrigerazione a cascata. Il risparmio di energia e di costi dalla sostituzione di un sistema a cascata con un sistema di raffreddamento Stirling può raggiungere il 75%, a seconda dell'attrezzatura di base e delle condizioni operative. I refrigeratori Stirling possono modulare continuamente, permettendo così operazioni tra -20oC e -86oC, rispetto al funzionamento da -60oC a -86oC dei sistemi in cascata. Come bonus, questi sistemi possono raggiungere questo grado di raffreddamento usando refrigeranti naturali al 100% che possono eliminare la necessità di prodotti chimici che riducono l'ozono. Questi sistemi contengono solo due parti mobili (un pistone e un dislocatore), non hanno valvole e non hanno cuscinetti a olio e gas, il che riduce anche i costi di manutenzione.

Uno studio My Green Lab del 2015,Market Assessment of Energy Efficient Opportunities in Laboratories[4] ha identificato che ci sono da 440.000 a 890.000 congelatori ULT negli Stati Uniti, 58.000 dei quali sono stimati nella sola California. Sulla base dei risparmi energetici stimati per i congelatori ULT, i laboratori della California da soli potrebbero risparmiare fino a 59 milioni di dollari all'anno sostituendo i congelatori ULT basati su compressori con congelatori con raffreddamento Stirling [3].

Un congelatore con sistema di raffreddamento Stirling è diventato il primo congelatore a bassissima temperatura certificato Energy Star del settore, stabilendo lo standard. Alcuni servizi e istituzioni stanno pagando incentivi per i congelatori con raffreddamento Stirling per influenzare il mercato. L'industria sanitaria sta già beneficiando di questa tecnologia.

La sfida: Questa tecnologia può sostituire i sistemi di refrigerazione a compressore per le applicazioni commerciali e i programmi di efficienza energetica delle utility dovrebbero muoversi in questa direzione?

Pubblicato originariamente qui

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L'autore

Ozgun è un ingegnere energetico con sei anni di esperienza nella valutazione energetica, nella riduzione delle emissioni di carbonio e nei sistemi di energia rinnovabile. Ozgun ha un master in energie rinnovabili e una laurea in ingegneria chimica. È un Certified Energy Manager, ed è un LEED Accredited Professional in Building Design and Construction.

Fonti

1],2,3 Stirling Ultracold, Global Cooling Inc. [4] www.etcc-ca.com/sites/default/files/reports/ceel_market_assessment_et14pge7591.pdf