Proprietà termofisiche e prestazioni di refrigeranti a basso impatto ambientale

The activity of the PhD research focused on the study of thermophysical properties and performance of new refrigerants and their mixtures with low environmental impact. This study was carried out using three different experimental set-ups: the isochoric apparatus, the apparatus SLE and experimental refrigeration system operating with a cycle cascade. The isochoric apparatus allows to find the P-V-T points of a gas or of a mixture both in the biphasic region and in superheated steam. The use of two thermostatic bath with silicone oils with different viscosities allows to study a range of temperatures ranging from -50 ° C to 100 ° C. It was immediately studied the new refrigerant R1234yf, which has replaced R134a in the car air conditioning, due to its low GWP value, in line with the new European directives. Data weren’t present in the literature yet, so results were published and subsequently confirmed by other studies. We subsequently turned to the study of thermophysical properties of the mixture R1234yf-CO2, and then we tested the other isomer and the mixture R1234ze R1234ze-CO2. The results were always compared with data from Refprop, the equation of Wagner in the biphasic region and the state equation of Martin-Hou in the region of superheated steam. The charging system has undergone changes to decrease the uncertainty due to estimation of the lost mass, the weak point of isochoric apparatus. A vacuum system was created to recover and weigh the loss mass in stages, so you can replace the previous estimate with a certain degree. The plant has been repeatedly tested with known gases, in order to validate the tests performed. The apparatus SLE allows to determine the melting point of the refrigerant gases and their mixtures, which were very low, requiring the use of liquid nitrogen. First, we found the triple point of the following fluids: - four hydro-olefin 2,3,3,3-tetrafluoroprop-1-ene, R1234yf, trans-1, 3,3,3 tetrafluoropropene, R1234ze (E), 3,3,3-trifluoropropene, R1234zf, 1.2, 3,3,3-pentafluoropropene, R1225ye (Z); - Five derivatives of propane-eptafluoropropano 1,1,1,2,3,3,3, R227ea; 1,1,1,3,3,3- exafluoropropano R236fa, 1,1,2,3,3,3 - exafluoropropano R236ea, 1,1,2,2,3- Pentafluoropropane, R245ca, 1,1,1,3,3-Pentafluoropropane, R245fa; - Three derivatives of the methane fluorometano, R41, and the Difluoromethane, R32, and the trifluoromethane, R23; - The four derivatives of ethane pentafluoroethane R125, 1,1,1,2-Tetrafluoroethane, R134a, 1,1,1,-trifluoroethane, R143a, 1.1-difluoroethane, R152a; - Mixtures: R1234yf-CO2, N2O and CO2-R1234ze + R41. Regarding the latter, the results were adjusted, where necessary, by the method of Rossini and interpreted using the equation of Schröder. The system was optimized by eliminating the internal copper coil that wrapped the measuring cell and placing the liquid nitrogen directly in contact with the measuring cell, thus improving heat transfer and reducing consumption of nitrogen liquid. The charging system has been modified to decrease the uncertainty of the title in the case of mixtures. As well as for the isochoric apparatus a vacuum system was created in order to allow more shots to recover and weigh the lost mass. Although this apparatus has been repeatedly tested with known gases in order to validate the tests Regarding the experimental refrigeration plant, after put it back in operation, we evaluated the performance of the refrigeration cycle cascade operating with CO2 and then with mixtures of CO2 + R23 in low temperature cycle. For the control both of valve laminating and of heat load we have chosen to use PID control, which aims to simulate the behavior of a refrigerator for freezing food. To improve the experimental plant, we used a volumetric flow meter on the high temperature cycle, after change of Labview software, which processes the data acquired from the plant, and we inserted a bypass system in the low temperature cycle; this system allows to recover the oil in circulation during the transition, in which the device operates in a partial load

L’attività di ricerca del dottorato si è incentrata sullo studio delle proprietà termofisiche e prestazioni di nuovi gas refrigeranti e loro miscele a basso impatto ambientale. Questo studio è stato effettuato con l’ausilio di tre differenti apparati sperimentali: l’apparato isocorico, l’apparato SLE e l’impianto frigorifero sperimentale operante con un ciclo in cascata. L’apparato isocorico consente di trovare i punti P-V-T di un gas o di una sua miscela sia nella regione bifasica che del vapore surriscaldato. L’utilizzo di due bagni termostatici con oli siliconici a differente viscosità permette di studiare un range di temperature ottenibili variabile da -50°C a 100°C. È stato subito studiato il nuovo fluido refrigerante R1234yf, che ha sostituito nella climatizzazione delle automobile il gas R134a grazie al suo basso valore GWP, in linea con le nuove direttive europee. Non essendo ancora presenti dati in letteratura, i risultati sono stati pubblicati e confermati successivamente da altri studi. Successivamente, ci si è rivolti allo studio delle proprietà termofisiche della miscela R1234yf-CO2, per poi testare l’altro isomero R1234ze e la miscela R1234ze-CO2. I risultati sono stati sempre confrontati con i dati di Refprop, l’equazione di Wagner nella regione bifasica e l’equazione di stato di Martin-Hou nella regione del vapore surriscaldato. Il sistema di carica ha subito nel tempo delle modifiche per diminuire l’incertezza dovuta alla stima della massa persa, il punto debole dell’apparato isocorico. Si è creato un sistema di sottovuoto che consente in più riprese di recuperarla e pesarla, così da poter sostituire la stima precedente con una misura certa. L’impianto è stato ripetutamente testato con gas noti, per poter validare le prove effettuate. L’apparato SLE consente di determinare il punto di fusione dei gas refrigeranti e delle loro miscele, che essendo molto basso, richiede l’utilizzo dell’azoto liquido. Innanzitutto, si è trovato il punto triplo dei seguenti fluidi: - quattro idro-olefine 2,3,3,3-tetrafluoroprop-1-ene, R1234yf; trans-1,3,3,3 tetrafluoropropene, R1234ze (E); 3,3,3-trifluoropropene, R1234zf; 1,2,3,3,3-pentafluoropropene, R1225ye (Z); - cinque derivati del propano 1,1,1,2,3,3,3-eptafluoropropano, R227ea; 1,1,1,3,3,3- exafluoropropano R236fa, 1,1,2,3,3,3-exafluoropropano R236ea; 1,1,2,2,3-pentafluoropropano, R245ca; 1,1,1,3,3-pentafluoropropano, R245fa; - tre derivati del metano il fluorometano, R41; il difluorometano, R32; il trifluorometano, R23; - quattro derivati dell’etano il pentafluoroetano R125; 1,1,1,2-tetrafluoretano, R134a, 1,1,1,- trifluoroetano, R143a; 1,1-difluoroetano, R152a; - le miscele: R1234yf-CO2 , R1234ze-CO2 e N2O + R41. Per quanto riguarda quest’ultime, i risultati ottenuti sono stati corretti, dove necessario, con il metodo di Rossini ed interpretati tramite l’equazione di Schröder. L’impianto è stato ottimizzato, eliminando la serpentina interna in rame che avvolgeva la cella di misura e mettendo l’azoto liquido direttamente a contatto con la cella di misura, migliorando così lo scambio termico e riducendo, in tal modo, il consumo di azoto liquido. Anche il sistema di carica ha subito delle modifiche per diminuire l’incertezza del titolo nel caso di miscele. Si è creato, così come per l’apparato isocorico, un sistema di sottovuoto che consente in più riprese di recuperare e pesare la massa persa. Anche questo apparato è stato ripetutamente testato con gas noti, per poter validare le prove effettuate. Per quanto riguarda l'impianto frigorifero sperimentale, dopo averlo rimesso in funzione, si sono valutate le prestazioni frigorifere del ciclo in cascata, operante con CO2 e, successivamente, con miscele di CO2+R23 nel ciclo di bassa temperatura. Sia per il controllo della valvola di laminazione che per il carico termico nell'utilizzatore si è scelto di utilizzare il controllo PID, che ha lo scopo di simulare il comportamento di una cella frigorifera per la surgelazione degli alimenti. Per migliorare l'impianto sperimentale, si è inserito un misuratore di portata volumetrico sul ciclo di alta temperatura, previa modifica del software Labview, che elabora i dati acquisiti dall’impianto, e si è inserito nel ciclo di bassa temperatura un sistema di bypass, che consente di recuperare l'olio in circolo anche durante il transitorio, in cui l'impianto funziona in modo parzializzato .