REFARCAL

Obiettivo:

Ricerca, sperimentazione, progettazione e realizzazione di un impianto frigorifero ad espansione diretta per applicazioni industriali mosso da motore a combustione interna di ultima generazione e elevata affidabilità. Il calore rilasciato dal generatore di energia meccanica viene recuperato per la produzione di vapore saturo e produzione di acqua calda (80/70°C). Il sistema presenterà anche la peculiarità che in caso di bisogno possa essere integrato con impianto ad assorbimento per la produzione di ulteriore energia frigorifera.

Sintesi del progetto:

L’oggetto del progetto consiste nella ricerca, progettazione, realizzazione e sperimentazione di un prototipo per la refrigerazione e produzione di calore. Tale sistema sarà composto da un motore a combustione interna di ultima generazione e elevata affidabilità alimentato con gas metano o GPL ed un gruppo frigorifero ad espansione diretta ad altissima efficienza. Il sistema permetterà di bypassare le problematiche e le perdite di conversione dell’energia elettrica in quanto il compressore sarà direttamente collegato all’uscita del motore a combustione interna tramite collegamento meccanico. Oltre alla produzione di freddo tramite il gruppo frigorifero, tale sistema permetterà di utilizzare anche il calore prodotto: derivante dal recupero dei fumi, del sistema di raffreddamento dell’acqua, dell’olio e direttamente dal sottoraffreddamento nel ciclo temodinamico frigorifero. In questo modo saranno possibili rendimenti molto elevati tali per cui il consumo di combustibile primario sarà dell’ordine del 50% per unità di resa frigorifera rispetto a soluzioni tradizionali con motore elettrico, compressori di normale commercio e fluido frigorigeno a basso impatto ambientale. Al fine di aumentare la potenza frigorifera sarà analizzata anche un ulteriore integrazione con impianti ad assorbimento.

Progetto:

Il progetto REFARCAL (REFrigerazione Avanzata con Recupero di CALore) nasce dall’idea dell’igegniere Marcello Paganelli di applicare un motore a combustione interna di ultima generazione e elevata affidabilità alimentato con gas metano o GPL ad un gruppo frigorifero ad espansione diretta ad altissima efficienza con l’intento di creare un sistema refrigerante a bassimo impanto ambientale e alto rendimento energetico

La refrigerazione a scopi industriali ha da sempre presentato difficoltà impiantistiche di rilievo: dalla scelta del fluido refrigerante, alla scelta del sistema frigorifero più adatto. Con questo progetto si vuole dare un alternativa alle ordinarie possibilità odierne permettendo l’utente di svincolarsi dalle problematiche inerenti da fattori esterni quali l’allacciamento elettrico, gli alti costi dell’energia elettrica e i bassi rendimenti ad essa correlati. L’idea quindi di poter utilizzare un MCI (motore a combustione interna) ha fatto sì che potesse essere utilizzata anche tutta la parte termica con appositi recuperi. Di conseguenza tale calore potrebbe essere utilizzato sia direttamente, tramite vapore saturo e/o acqua calda a 80/70°C, sia indirettamente, tramite un impianto ad assorbimento.

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Dallo schema precedente è possibile riassumere quanto brevemente sopra riportato: a meno di perdite si possono raggiungere rendimenti pari a circa l’80% riducendo così i consumi energetici e l’inquinamento ambientale. A tal proposito si evidenzia che nella soluzione tradizionale (gruppo frigorifero mosso direttamente da motore elettrico) il consumo in termini di risorse primarie (gas naturale, olio combustibile, ecc), per la produzione di energia meccanica necessaria al gruppo frigorifero, è superiore al consumo di combustibile del motore a combustione interna (per la stessa energia meccanica prodotta). Pertanto è possibile affermare che la parte di calore recuperata (dai gas e dai circuiti di raffreddamento) risulta gratuita, poiché non comporta nessun consumo ulteriore di combustibile.

Le applicazioni esistenti sulla tecnologia proposta riguardano essenzialmente piccoli motori a gas di derivazione automobilistica, e costruzione giapponese, che forniscono l’energia meccanica necessaria a compressori frigoriferi tipo Scroll. Il sistema fornisce energia frigorifera a 12 °C/7°C, utilizzabile essenzialmente per il condizionamento estivo degli edifici, ed energia termica a bassa temperatura 45°C – 50°C facendo lavorare il frigorifero come pompa di calore con aria ambiente all’evaporatore. Il sistema prevede anche il recupero di calore dal raffreddamento del motore e dell’olio di lubrificazione.

Le differenze di queste applicazioni con il sistema proposto sono molteplici e si possono sintetizzare in:

– Potenze meccaniche in gioco molto diverse max 30 kW contro quelle che si vogliono realizzare (fino a 350 kW) con il sistema proposto
– Compressore e fluido frigorigeno, non adatti per le temperature che si vogliono raggiungere
– Affidabilità e durata dell’intero sistema 60.000 ore contro 10.000¸15.000 ore stimate per le applicazioni esistenti
– Temperatura dal circuito frigorifero all’evaporatore fino a circa -15°C contro i +2°C delle applicazioni esistenti
– Recupero di calore anche dai gas di scarico del motore a gas, oltre che dal raffreddamento dell’olio di lubrificazione e del motore per il sistema proposto.

Oltre a queste applicazioni ormai ben presenti nel mercato, più volte si pubblicizzano applicazioni simili a quella proposta, anche se per temperature di +7°C contro i -8°C del sistema in oggetto, ma non sono noti casi concreti funzionanti.
Resta tuttavia il fatto che i maggiori costruttori di motori a gas ad altissimo rendimento europei, al momento non sono in grado di fornire impianti di questo tipo pre-assemblati.

Obiettivo generale:

Ricerca, sperimentazione, progettazione e realizzazione di un impianto frigorifero ad espansione diretta per applicazioni industriali mosso da motore a combustione interna di ultima generazione e elevata affidabilità. Il calore rilasciato dal generatore di energia meccanica viene recuperato per la produzione di vapore saturo e produzione di acqua calda (80/70°C). Il sistema presenterà anche la peculiarità che in caso di bisogno possa essere integrato con impianto ad assorbimento per la produzione di ulteriore energia frigorifera.

Obiettivi operativi:

Possono essere considerati 4 obiettivi operativi principali:

1. Ricerca: ricerca, approfondimenti e realizzazione di un modello di simulazione del sistema mediante l’utilizzo di software specifici per la simulazione di sistemi energetici
2. Progettazione: progetto del prototipo di sistema di refrigerazione e produzione di calore in scala industriale in modo da capire su scala 1:1 le effettive difficoltà che si possono incontrare
3. Realizzazione: realizzazione del progetto e messa in funzione del prototipo
4. Sperimentazione: analisi e misura dei punti di funzionamento e delle grandezze caratteristiche mediante sperimentazione avanzata sulle macchine

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