Sebbene siano in corso lavori per sviluppare refrigeranti alternativi e migliorare le strategie di gestione dei refrigeranti, l'eliminazione graduale degli HFC imporrà vincoli alle apparecchiature di compressione del vapore che richiederanno compromessi tra costi, efficienza e sicurezza. Questi vincoli potrebbero presentare opportunità di mercato per tecnologie alternative di condizionamento degli spazi. Tecnologie alternative basate sul loro stato di sviluppo (alcune tecnologie sono nelle prime fasi di sviluppo), potenziale di risparmio energetico e altri fattori che possono influenzare la loro capacità di competere con i sistemi di compressione del vapore.
La figura sotto raggruppa 22 tecnologie di compressione non di vapore analizzate nello studio DOE, classificate per fonte di energia e fluido o materiale di lavoro primario. Sebbene i sistemi di compressione del vapore siano utilizzati anche nelle applicazioni di refrigerazione, trasporto e raffreddamento dei processi, lo studio del DOE si concentra esclusivamente sulla costruzione di applicazioni HVAC.
Alcune tecnologie alternative non sono pratiche per le applicazioni di condizionamento degli spazi a causa delle basse efficienze e capacità, e alcune sono troppo presto nel loro ciclo di sviluppo per essere valutate completamente (ad esempio, pompa di calore Bernoulli, ciclo a flusso critico e pompa di calore elettrocalorica).
Questa sezione spiega alcune delle alternative ai cicli di compressione del vapore.
Ciclo transcritico dell'anidride carbonica
La bassa temperatura critica per l'anidride carbonica può essere vista nel diagramma pressioneentalpia (Figura sotto). Un ciclo con dissipazione del calore a 31°C avrebbe un effetto refrigerante molto inferiore rispetto a uno con condensazione a, diciamo, 27°C. Al di sopra del punto critico il gas non può essere condensato ed è necessario spostarsi in questa regione se la temperatura di dissipazione del calore si avvicina a 30°C. Se il gas può essere raffreddato, diciamo a 40°C come mostrato in figura, l'effetto refrigerante è simile a quello con dissipazione del calore a 30°C. Nel ciclo mostrato, il gas viene raffreddato da 120°C a 40°C ad una pressione costante di 100 bar in uno scambiatore di calore descritto come gas cooler.
La formazione di liquido avviene solo durante l'espansione al livello di pressione inferiore. Può essere possibile far funzionare un sistema progettato per il funzionamento transcritico in modalità subcritica, cioè come un ciclo di compressione del vapore, in condizioni ambientali basse, nel qual caso il gas cooler diventa un condensatore.
La regolazione dell'alta pressione è necessaria per il ciclo transcritico. La pressione ottimale è determinata in funzione della temperatura di uscita del gas cooler ed è un equilibrio tra il massimo effetto refrigerante possibile e la minima quantità di energia del compressore.
Refrigeranti a perdita totale
Alcuni fluidi volatili vengono utilizzati una sola volta e poi si disperdono nell'atmosfera. Due di questi sono di uso generale: anidride carbonica e azoto. Entrambi vengono immagazzinati come liquidi sotto una combinazione di pressione e bassa temperatura e quindi rilasciati quando è richiesto l'effetto di raffreddamento.
L'anidride carbonica è al di sotto del suo punto triplo alla pressione atmosferica e può esistere solo come "neve" o gas. Il punto triplo è dove coesistono le fasi solida, liquida e vapore. Al di sotto di questa pressione, un solido sublima direttamente allo stato gassoso. Poiché entrambi i gas provengono dall'atmosfera, non vi è alcun rischio di inquinamento. La temperatura dell'anidride carbonica quando viene rilasciata sarà di 78,4°C. L'azoto sarà a 198,8°C. Il ghiaccio d'acqua può anche essere classificato come refrigerante a perdita totale.
Ciclo di assorbimento
Il vapore può essere prelevato da un evaporatore mediante assorbimento in un liquido (Figura sotto). Sono in uso due combinazioni, l'assorbimento del gas di ammoniaca nell'acqua e l'assorbimento del vapore acqueo nel bromuro di litio. Quest'ultimo è atossico e quindi può essere utilizzato per il condizionamento dell'aria. L'uso dell'acqua come refrigerante in questa combinazione lo limita ai sistemi al di sopra del suo punto di congelamento. Il vapore refrigerante dall'evaporatore viene aspirato nell'assorbitore dall'assorbente liquido, che viene spruzzato nella camera. La soluzione risultante (o liquido) viene quindi pompata fino alla pressione del condensatore e il vapore viene espulso nel generatore mediante riscaldamento diretto.
Il gas refrigerante ad alta pressione emesso può quindi essere condensato nel modo consueto e ritrasmesso attraverso la valvola di espansione nell'evaporatore. Il liquido debole proveniente dal generatore viene fatto passare attraverso un'altra valvola di riduzione della pressione fino all'assorbitore. L'efficienza termica complessiva è migliorata da uno scambiatore di calore tra i due percorsi del liquido e da uno scambiatore di calore aspirazione-liquido per il refrigerante. L'alimentazione alla pompa del liquore sarà solitamente elettrica, ma l'energia termica al generatore può essere qualsiasi forma di energia di basso grado come petrolio, gas, acqua calda o vapore. È possibile utilizzare anche la radiazione solare. L'energia complessiva utilizzata è maggiore rispetto al ciclo di compressione, quindi il COP è inferiore. I dati tipici sono quelli mostrati nella tabella.
Ciclo d'aria
La refrigerazione a ciclo d'aria funziona sul ciclo inverso di Brayton o Joule. L'aria viene compressa e quindi il calore viene rimosso; quest'aria viene quindi espansa a una temperatura inferiore rispetto a prima della compressione. Il calore può quindi essere estratto per fornire un utile raffreddamento, riportando l'aria al suo stato originale (vedi figura sotto). Il lavoro viene prelevato dall'aria durante l'espansione da una turbina di espansione, che rimuove energia mentre le pale vengono azionate dall'aria in espansione. Questo lavoro può essere utilmente impiegato per far funzionare altri dispositivi, come generatori o ventilatori. Spesso viene utilizzato per aiutare ad alimentare il compressore, come mostrato. A volte un compressore separato, chiamato compressore "bootstrap", è alimentato dall'espansore, fornendo due stadi di compressione. L'aumento della pressione sul lato caldo eleva ulteriormente la temperatura e fa sì che il sistema del ciclo dell'aria produca più calore utilizzabile (a una temperatura più elevata). L'aria fredda dopo la turbina può essere utilizzata come refrigerante direttamente in un sistema aperto come mostrato o indirettamente tramite uno scambiatore di calore in un sistema chiuso. L'efficienza di tali sistemi è limitata in larga misura dalle efficienze di compressione ed espansione, nonché da quelle degli scambiatori di calore impiegati.
In origine venivano utilizzati compressori ed espansori alternativi a bassa velocità. La scarsa efficienza e affidabilità di tali macchinari sono stati i fattori principali nella sostituzione di tali sistemi con apparecchiature a compressione di vapore. Tuttavia, lo sviluppo di compressori rotativi ed espansori (come nei turbocompressori per auto) ha notevolmente migliorato l'efficienza isentropica e l'affidabilità del ciclo dell'aria. I progressi nella tecnologia delle turbine insieme allo sviluppo di cuscinetti ad aria e componenti in ceramica offrono ulteriori miglioramenti dell'efficienza.
L'applicazione principale di questo ciclo è la climatizzazione e la pressurizzazione degli aeromobili. Le turbine utilizzate per la compressione e l'espansione girano a velocità molto elevate per ottenere i rapporti di pressione necessari e, di conseguenza, sono rumorose. Il COP è inferiore rispetto ad altri sistemi.
Ciclo Stirling
Il ciclo Stirling è un ingegnoso ciclo del gas che utilizza il calore trasferito dal gas che scende di temperatura per fornire quello al gas che sale di temperatura. Il ciclo Stirling è stato applicato con successo in applicazioni specialistiche che richiedono basse temperature a compiti molto bassi.
Raffreddamento termoelettrico
Il passaggio di una corrente elettrica attraverso giunzioni di metalli dissimili provoca una diminuzione della temperatura in una giunzione e un innalzamento nell'altra, effetto Peltier. Miglioramenti in questo metodo di raffreddamento sono stati resi possibili negli ultimi anni dalla produzione di opportuni semiconduttori. Le applicazioni sono di dimensioni limitate, a causa delle elevate correnti elettriche richieste, e gli usi pratici sono piccoli sistemi di raffreddamento per uso militare, aerospaziale e di laboratorio.
Refrigerazione magnetica
La refrigerazione magnetica dipende dal cosiddetto effetto magnetocalorico, che è la variazione di temperatura osservata quando determinati materiali magnetici sono esposti a una variazione del campo magnetico. La refrigerazione magnetica è un argomento di ricerca e storicamente è stata utilizzata a temperature estremamente basse. Solo di recente è stato visto come un possibile mezzo di raffreddamento a temperatura ambiente.
Refrigerazione e condizionamento GF Hundy, AR Trott, TC Welch e TC Welch
