Realizzazione di un prototipo di macchina frigorifera caldo/freddo dedicata al settore alimentare

I costi energetici legati ai trattamenti termici ad alta e bassa temperatura degli alimenti costituiscono una importante porzione dei costi energetici globali sostenuti dal sistema industriale: nel mondo essi sono stimati in circa due miliardi di dollari l’anno. Tali costi potrebbero essere considerevolmente ridotti realizzando i trattamenti con sistemi tecnologicamente avanzati e integrati. In particolare, si ritiene di poter contribuire a tali obiettivi attraverso la realizzazione di macchine reversibili in grado di produrre sia “caldo” che “freddo” a seconda delle necessità, con ridotto impatto economico. In generale, i processi termici prevedono una fase di riscaldamento fino a temperature comprese tra i 65‐80°C ed una successiva fase di raffreddamento per la conservazione a temperatura controllata (generalmente dell’ordine di 4°C) dell’alimento trattato. In questa linea di attività è stata valutata l’opportunità di realizzare tali trattamenti avvalendosi di macchine reversibili a CO2 (R744) per una serie di motivi, legati sia ad aspetti prestazionali, che di ridotto impatto ambientale del sistema complessivo. La scelta della CO2 come fluido di lavoro è legata a caratteristiche peculiari della stessa quali l’atossicità e la non infiammabilità. In più tale fluido è caratterizzato da un ridottissimo impatto ambientale, comprovato da valori del potenziale di riduzione dell’ozono (ODP) pari a 0 e del potenziale di riscaldamento globale (GWP) pari a 1. Sotto il profilo delle prestazioni di scambio termico è stata spesso evidenziata l’elevata attitudine di un ciclo transcritico a CO2 a fornire calore con rendimento elevato, attraverso il gas‐cooler, a un fluido che debba subire un trattamento termico di riscaldamento, per l’ottimale corrispondenza dei profili di temperatura dei due fluidi avviati allo scambiatore. D’altra parte, è noto che è possibile realizzare cicli frigoriferi utilizzanti CO2, che possono garantire livelli di prestazione (COP frigorifero) soddisfacenti a diversi livelli di temperature delle sorgenti calda e fredda. Per i livelli di temperatura minima previsti per la maggior parte dei trattamenti termici (dell’ordine dei 5°C) richiesti dai prodotti alimentari, si possono peraltro prevedere valori di COP frigoriferi soddisfacenti anche disponendo di sorgenti calde (aria o acqua) al gas cooler a temperature relativamente elevate. Per questi motivi, si è ritenuto possibile proporre in questa attività di ricerca una macchina a CO2 acqua-acqua di tipo reversibile in grado di realizzare trattamenti termici di raffreddamento e/o di riscaldamento. Si è proceduto quindi a verificare i range di temperatura ottimali di utilizzo di una siffatta macchina e sono stati proposti vari schemi di impianto. Sono stati selezionati i principali componenti adatti a realizzare il ciclo termico completo per una situazione di riferimento caratterizzata da condizioni rmodinamiche che includessero il maggior numero di trattamenti termici possibili. E’ stato inoltre affrontato il problema dell’inversione del ciclo di funzionamento della macchina, che rappresenta il principale nodo tecnico da risolvere, dato che gli scambiatori, lavorando da evaporatori o da condensatori/gas‐cooler secondo le necessità (produzione di caldo o freddo) devono presentare delle caratteristiche specifiche. La scelta dello schema d’impianto più appropriato all’applicazione in parola e il definitivo dimensionamento degli scambiatori di calore è infine subordinato alla completa conoscenza delle prestazioni garantite dal compressore (bistadio con inverter) e dal sistema di espansione elettronico selezionati per l’applicazione nelle condizioni termodinamiche di riferimento. Per ottenere informazioni più dettagliate sulle prestazioni ottenibili con tali componenti ci si è infine dedicati allo studio delle problematiche legate alla realizzazione degli idonei sistemi di gestione e controllo del compressore e della valvola elettronica di laminazione.