Analisi Comparativa dei Sistemi di Refrigerazione ad Ammoniaca, Freon e CO₂: Valutazione Tecnico-Economica, Consumi Energetici e Criteri di Scelta Applicativa

Abstract

La presente tesi analizza i sistemi di refrigerazione che impiegano refrigeranti naturali, con particolare attenzione all’ammoniaca (NH₃, R-717), all’anidride carbonica (CO₂, R-744) e alla configurazione a cascata CO₂–NH₃. L’obiettivo è confrontare queste soluzioni dal punto di vista tecnico, energetico, economico, ambientale e della sicurezza, così da individuare criteri utili per la scelta del sistema frigorifero più adatto in funzione dell’applicazione e della scala dell’impianto. Il tema è particolarmente attuale per la progressiva riduzione dell’impiego di refrigeranti ad elevato impatto ambientale e per il rinnovato interesse verso fluidi naturali con ODP nullo e GWP molto basso. Nella prima parte vengono richiamati i principi del ciclo frigorifero a compressione di vapore e viene descritto il funzionamento degli impianti ad ammoniaca, analizzando le fasi di compressione, condensazione, espansione ed evaporazione e il ruolo dei principali componenti. L’ammoniaca è considerata per le sue favorevoli proprietà termodinamiche, che consentono buone prestazioni energetiche e portate massiche contenute, ma vengono anche evidenziate le criticità legate alla tossicità e alla necessità di specifiche misure di sicurezza. Successivamente viene esaminata la refrigerazione a CO₂, mettendo in evidenza le elevate pressioni operative e la possibilità di funzionamento in regime subcritico o transcritico. In quest’ultimo caso il raffreddamento avviene mediante gas cooler, con effetti importanti sull’efficienza, soprattutto quando la temperatura esterna è elevata. Il lavoro analizza inoltre il sistema a cascata CO₂–NH₃, formato da due cicli distinti collegati tramite uno scambiatore di calore intermedio. La CO₂ viene impiegata nel ciclo a bassa temperatura, mentre l’ammoniaca opera nel ciclo ad alta temperatura. Questa configurazione permette di sfruttare le proprietà favorevoli di entrambi i refrigeranti e di limitare la quantità di ammoniaca nelle aree di utilizzo

This thesis analyses refrigeration systems based on natural refrigerants, with particular attention to ammonia (NH₃, R-717), carbon dioxide (CO₂, R-744), and the CO₂–NH₃ cascade configuration. The main objective is to compare these solutions from technical, energy, economic, environmental, and safety perspectives, in order to identify useful criteria for selecting the most appropriate refrigeration system according to the application and plant size. The topic is especially relevant in the current transition toward refrigerants with lower environmental impact and in the renewed use of natural fluids characterized by zero ozone depletion potential and very low global warming potential. The first part of the work recalls the basic principles of the vapor-compression refrigeration cycle and describes the operation of ammonia systems, focusing on the four main stages of compression, condensation, expansion, and evaporation. Ammonia is considered because of its favorable thermodynamic properties and its ability to provide high energy efficiency in many industrial applications. At the same time, the analysis also considers the safety issues associated with its toxicity and the consequent need for suitable plant design, monitoring, and protection measures. Carbon dioxide refrigeration is then examined, with particular attention to its high operating pressures and to the distinction between subcritical and transcortical operation. When the system operates above the critical temperature of CO₂, heat rejection takes place in a gas cooler rather than through conventional condensation. This operating condition can significantly influence the coefficient of performance, especially at high ambient temperatures. The study therefore highlights how climatic conditions and system configuration can affect the energy performance of CO₂ installations. The thesis also considers the CO₂–NH₃ cascade system, which consists of two separate refrigeration cycles connected through