Con il termine di „pompa di calore“ sono definiti dei macchinari che si compongono sostanzialmente di quattro gruppi principali.
- Evaporatore (scambiatore di calore)
- Compressore
- Condensatore (scambiatore di calore)
- Valvola d’espansione (organo di regolazione)
I gruppi sono collegati tra di loro in un sistema ermeticamente chiuso attraverso tubazioni, riempite con il fluido frigorigeno CO2 (R744).
Nel processo a ciclo transcritico il fluido viene sottoposto continuamente ai seguenti cambiamenti di stato, applicando l’azione del cambiamento volumetrico:
- Evaporare
- Comprimere
- Raffreddamento del fluido transcritico attraverso cambiamenti di stato non-isotermico ma isobaro
- Espandere
Il vantaggio del processo a ciclo transcritico consiste nel fatto che l’energia termica viene sottratta ad una fonte di calore a basso livello di temperatura attraverso l’evaporazione del fluido liquido a bassa pressione.
Nella seconda fase del ciclo, l’energia termica viene elevata ad un livello di temperatura maggiore, rendendola tecnicamente sfruttabile nella terza fase. Infine, la sottrazione di energia dalla fonte di calore viene determinata attraverso il flusso di entalpia generato dall’evaporazione del fluido.
Durante l’evaporazione, il flusso di entalpia passa dalla fonte di calore al fluido attraverso il passaggio dello stesso dalla fase liquida a quella vaporosa e comporta un significativo incremento dell’entalpia specifica, e quindi del contenuto di energia del fluido.
All’uscita dell’evaporatore il fluido si presenta sotto forma di vapore surriscaldato e quindi privo di gocce di liquido e con elevata entalpia specifica. Il livello di temperatura del vapore surriscaldato non deve comunque superare quello della fonte di calore.
Successivamente al fluido viene impresso un cambiamento volumetrico facendolo risucchiare e comprimere dal compressore. L’entalpia specifica aumenta ancora e la temperatura del vapore del fluido sale fino a raggiungere un livello di temperatura utilizzabile.
Da questo punto in poi le pompe di calore che utilizzano il CO2 per il processo ciclico transcritico, si distinguono in modo fondamentale dalle pompe di calore con ciclo subcritico.
Nelle nostre pompe, dopo la compressione la temperatura del vapore si trova decisamente sopra il punto critico – diversamente a quanto accade per il funzionamento in modalità subcritica. Per questo motivo si parla di conduzione transcritica del processo. In ambito transcritico non è possibile la liquefazione del fluido attraverso condensazione.
A differenza del ciclo subcritico, nel ciclo transcritico il trasferimento dell’energia verso il dissipatore non avviene a temperatura costante ma attraverso un raffreddamento „progressivo" del fluido a pressione pressoché costante. Non si ha invece il passaggio dalla fase vaporosa a quella liquida, cosicché al posto del condensatore trova impiego un cosiddetto raffreddatore del gas.
Durante il raffreddamento progressivo il contenuto di energia del fluido viene ridotto delle quote di entalpia precedentemente assorbite nell’evaporatore e nel compressore.
All’uscita dal raffreddatore di gas il fluido si presenta perciò non in stato liquido ma ancora sotto forma di fluido transcritico. Il livello di temperatura del fluido è ancora alto e - come nel ciclo subcritico - non può essere minore della temperatura di ritorno dal dissipatore.
Per via del raffreddamento „progressivo“ si pongono particolari requisiti nei confronti del dissipatore, il quale a differenza del processo subcritico, deve permettere l’assorbimento di maggiori differenze di temperatura, le quali rispecchiano l'andamento progressivo del processo transcritico che avviene nel fluido in modo equivalente sul lato dell’acqua.
L’espansione nell’evaporatore del fluido transcritico ad un livello di pressione minore avviene in due fasi:
- 1a fase di espansione: passaggio del fluido dallo stato transcritico alla fase liquida.
- 2a fase di espansione: il fluido ormai liquefatto viene fatto espandere, in maniera analoga a come avviene nel ciclo subcritico, attraverso la valvola d’espansione. In questa fase di espansione evapora già una porzione del fluido, mentre la maggior parte resta in fase liquida. L’energia necessaria per l’evaporazione parziale viene sottratta alla fase liquida del fluido ed è accompagnata da un significativo abbassamento della temperatura del fluido.
Il ciclo transcritico del fluido si chiude quando pressione e temperatura hanno di nuovo raggiunto lo stato iniziale nell’evaporatore.
| Diagramma di temperatura ed entropia: | Diagramma di pressione ed entalpia: |
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