Refrigerazione a CO₂ nel trasporto: l’eiettore migliora l’efficienza alle alte temperature

La refrigerazione dei veicoli refrigerati rappresenta una delle applicazioni più impegnative della catena del freddo: gli impianti devono garantire temperature stabili durante il trasporto, lavorando però in condizioni ambientali molto variabili e con vincoli stringenti in termini di peso, dimensioni e consumi energetici.

In questo scenario cresce l’interesse per la CO₂ (R744), refrigerante naturale con GWP pari a 1. Recenti sperimentazioni hanno analizzato unità transcritiche a R744 destinate a veicoli refrigerati leggeri e di media taglia, confrontando un ciclo tradizionale con una configurazione dotata di eiettore.

I risultati mostrano che proprio alle temperature esterne più elevate l’eiettore può recuperare parte delle perdite tipiche del ciclo transcritico e migliorare sensibilmente l’efficienza. Il tema è particolarmente interessante per la distribuzione urbana e la cold chain europea: quando la temperatura esterna aumenta, infatti, cresce contemporaneamente il carico frigorifero richiesto al veicolo e diventa più complesso mantenere elevate le prestazioni del sistema.

R744 nel trasporto refrigerato: perché le alte temperature sono una sfida

La CO₂ presenta caratteristiche particolarmente interessanti dal punto di vista ambientale, ma il funzionamento dei sistemi transcritici è fortemente influenzato dalla temperatura esterna. Il punto critico della CO₂ è poco superiore a 31 °C. Quando il sistema deve cedere calore a temperature superiori, il ciclo entra in funzionamento transcritico e aumentano le pressioni operative e le perdite associate all’espansione. È proprio in queste condizioni che l’efficienza può diminuire.

Le prove sperimentali hanno valutato il comportamento dell’unità frigorifera con temperature del vano refrigerato pari a -5 °C, 0 °C e 5 °C e temperature ambientali comprese tra 20 e 40 °C. Nella configurazione tradizionale, con vano a 0 °C, il COP è passato da circa 2,2 a 20 °C esterni a circa 1,1 con ambiente a 40 °C. Nello stesso intervallo la capacità frigorifera è diminuita da circa 6,6 a 4,2 kW.

La dinamica è particolarmente rilevante per il trasporto refrigerato perché le condizioni climatiche più gravose coincidono spesso con un aumento del fabbisogno frigorifero del veicolo. Da qui la necessità di architetture capaci di mantenere prestazioni elevate anche durante le giornate più calde.

Come funziona l’eiettore nei sistemi a CO₂

Una delle strategie studiate per aumentare l’efficienza dei sistemi transcritici consiste nell’inserimento di un eiettore al posto, o a supporto, della tradizionale espansione. In un circuito convenzionale, una parte significativa dell’energia disponibile durante la riduzione di pressione del refrigerante viene dissipata nella valvola di espansione. L’eiettore permette invece di recuperare parte di questa energia, utilizzandola per aumentare la pressione del refrigerante aspirato dal lato a bassa pressione.

Il risultato può essere una riduzione del lavoro richiesto al compressore e quindi un miglioramento del COP. I test sul prototipo per trasporto refrigerato hanno evidenziato che il vantaggio cresce soprattutto con l’aumento della temperatura ambiente. Con vano refrigerato mantenuto a 0 °C, l’incremento di COP rispetto alla configurazione tradizionale è stato:

• +14,3% a 30 °C esterni;
• +25,1% a 35 °C;
• +22,2% a 40 °C.

Con temperatura del vano a -5 °C, il miglioramento massimo rilevato è stato ancora del 25,1% a 40 °C esterni.

L’eiettore non risulta però vantaggioso in tutte le condizioni: alle temperature esterne più basse, la configurazione tradizionale ha mostrato prestazioni superiori. Questo suggerisce l’interesse di sistemi capaci di adattare la propria configurazione alle condizioni operative, utilizzando la modalità più efficiente in funzione di temperatura e carico.

Efficienza e dimensionamento dei gruppi frigoriferi mobili

L’utilizzo dell’eiettore può avere implicazioni che vanno oltre il semplice miglioramento del COP. Nei veicoli refrigerati l’unità viene normalmente dimensionata considerando anche le condizioni climatiche più gravose. Se la capacità frigorifera diminuisce alle alte temperature, può essere necessario installare una macchina sovradimensionata rispetto alle normali condizioni operative.

Le simulazioni effettuate sul sistema mostrano che l’integrazione dell’eiettore può migliorare il COP fino a circa il 28,6% a 40 °C, contribuendo anche a limitare il calo di capacità frigorifera.

Per le unità installate su veicoli elettrici il tema assume un peso ancora maggiore: ogni consumo destinato alla produzione del freddo sottrae infatti energia alla trazione e può incidere sull’autonomia.

La progettazione deve quindi trovare un equilibrio tra:

• capacità frigorifera;
• efficienza energetica;
• peso dell’unità;
• ingombri;
• complessità del circuito;
• affidabilità;
• facilità di manutenzione.

Dalla sperimentazione al test su strada

I risultati disponibili sono promettenti, ma riguardano ancora una tecnologia in fase di sperimentazione e validazione. Il prototipo è stato prima testato in laboratorio. Una versione ottimizzata e più compatta è stata successivamente installata su un veicolo refrigerato, ottenendo anche la certificazione ATP e passando così alla fase di test sul campo.

La sperimentazione su strada sarà importante per valutare prestazioni e affidabilità nelle condizioni reali della distribuzione:

• variazioni continue del carico;
• aperture frequenti delle porte;
• fermate;
• traffico urbano;
• temperature esterne variabili;
• cicli di funzionamento non stazionari.

La CO₂ potrebbe quindi assumere un ruolo crescente anche nella cold chain mobile. L’eiettore rappresenta una delle tecnologie che possono contribuire a superare uno dei principali limiti dei sistemi R744 transcritici: mantenere elevate efficienza e capacità frigorifera quando la temperatura esterna aumenta.