Prestazioni e sviluppi progettuali del refrigeratore ad assorbimento a diffusione

2 
 
CAPITOLO 1 
INTRODUZIONE 
 
 
 
 
 
1.1 Gli utilizzi dei sistemi di refrigerazione ad assorbimento 
Nella maggior parte dei processi industriali l’energia termica sprigionatasi dalla 
combustione di idrocarburi di origine fossile viene trasformata in altra forma di 
energia per gli usi più diversi. Una parte consistente di questa energia termica è 
ceduta all’ambiente senza che se ne sfrutti per nulla il potenziale. L’utilizzazione 
di tale quantità di energia è in molti casi possibile e conveniente perché consente 
di ottenere un effetto utile aggiuntivo.  
Lo sfruttamento dei cascami termici per soddisfare esigenze di riscaldamento 
e/o di raffrescamento è senz’altro una pratica vantaggiosa e molto spesso risulta 
agevole con il ricorso ad apparati di semplice recupero per il primo caso e di 
sistemi di refrigerazione ad assorbimento per il secondo. Mediante sistemi ad 
assorbimento a recupero viene, inoltre, a ridursi l’impatto ambientale, data la 
diminuzione della CO
2
 e degli inquinanti emessi in atmosfera, poiché si evita 
l’uso di sistemi a compressione di vapore più tradizionali (macchine frigorifere o 
pompe di calore).  
I vantaggi di carattere ambientale non si limitano esclusivamente a quelli 
ricordati, ma si estendono all’eliminazione dei fluidi di lavoro impiegati dai più 
tradizionali sistemi a compressione di vapore (refrigeranti a base 
clorofluorocarburica (CFC), i quali determinano una riduzione dello strato di 
ozono stratosferico, o a base idrofluorocarburica (HCFC) – come l’R407C – e 
idrocarburica (HFC) – come l’R410a – che, assieme ai CFC, contribuiscono 
all’effetto serra) e alla loro sostituzione con fluidi per la massima parte di origine 
naturale.  
Accanto a questi vantaggi, tuttavia, si deve considerare come i sistemi ad 
assorbimento scontino in generale minori efficienze energetiche rispetto alle 
macchine tradizionali. Questo aspetto spesso induce gli attori del mercato della 
refrigerazione a preferire a questa tecnologia quelle più tradizionali; d’altro canto 
ciò rappresenta uno stimolo per molti ricercatori a studiare e proporre sviluppi in 
grado di ovviare a questo deficit prestazionale [1].
Capitolo 1: Introduzione 
 
3 
 
1.2 Cenni storici 
Lo sviluppo della teoria della refrigerazione ad assorbimento compie i primi 
passi già nel 1777 e sin dal 1810 si è a conoscenza di come sia possibile ottenere 
ghiaccio facendo evaporare dell’acqua pura da un recipiente posto all’interno di 
un contenitore sottovuoto in presenza di acido solforico [2, 3]. Nel 1824 Michel 
Faraday conduce i suoi primi studi sperimentali sul processo. La riduzione di 
temperatura causata dall’assorbimento di vapore acqueo da parte dell’acido 
consente la formazione di strati di ghiaccio sulla superficie dell’acqua liquida. Il 
primo sistema di refrigerazione ad assorbimento ad acqua e acido solforico viene 
sviluppato in Francia nel 1850 da Edmond Carre. Il problema principale della 
macchina, legato alla forte corrosione dell’involucro, viene superato nel 1859 da 
Ferdinand Carre, fratello di Edmond, che introduce un’innovativa macchina 
frigorifera ad acqua e ammoniaca. Brevettata negli Stati Uniti nell’anno 
successivo, essa produceva ghiaccio e consentiva la conservazione del cibo. Il 
brevetto, oltre a costituire la base per gli sviluppi di tutti i sistemi ad 
assorbimento, fu sfruttato nel 1877 quando, a bordo del battello americano 
“Paraguay”, fu installato un refrigeratore ad acqua/ammoniaca per la 
conservazione della carne congelata. 
La tecnologia di refrigerazione ad assorbimento raggiunge una posizione di 
predominio sui più giovani sistemi a compressione di vapore intorno al 1875, 
mantenendola anche per i primi decenni del XX secolo. Con lo sviluppo della 
produzione centralizzata di energia elettrica e dell’affidabilità dei motori elettrici, 
tuttavia, il frigorifero a compressione riprende via via posizioni, sino agli inizi 
degli anni ’30, quando, con l’avvento dei primi fluidi frigorigeni sintetici a base 
clorofluorocarburica, diviene la tecnologia predominante. 
Nonostante questa battuta d’arresto, negli anni ’50 in USA e Giappone viene 
introdotta la coppia acqua/bromuro di litio per applicazioni di refrigerazione in 
ambito industriale. I problemi di tossicità di ammoniaca e acido solforico che a 
partire dai primi anni del 1900 avevano condotto alla morte molti utilizzatori del 
sistema vengono così superati con l’utilizzo di acqua come refrigerante. Qualche 
anno dopo viene creato il primo ciclo a doppio stadio, con il risultato di ottenere 
un deciso incremento di efficienza del refrigeratore ad assorbimento. 
In seguito, il frenetico sviluppo della tecnologia a compressione di vapore 
relega il frigorifero ad assorbimento in una posizione marginale sia sul mercato, 
sia per ciò che concerne lo studio di nuove soluzioni tecniche. Negli anni tra il 
1970 e il 1990, anche se in Giappone i costruttori riscontrano buoni tassi di 
crescita delle vendite, negli Stati Uniti il mercato cala drasticamente sino quasi a 
scomparire. 
Superato il periodo di “crisi”, la ritrovata sensibilità verso gli aspetti di natura 
ecologica e di riduzione dei consumi energetici ridona linfa allo sviluppo di nuove 
applicazioni nel settore dell’assorbimento.
Capitolo 1: Introduzione 
 
4 
 
Ai giorni nostri, pur essendo destinato a impieghi particolari, il ciclo ad 
assorbimento non è tramontato e altrettanto ha fatto la ricerca su di esso. Ad 
esempio, frigoriferi domestici a circolazione naturale trovano oggi largo utilizzo 
in strutture alberghiere e campeggi per la loro silenziosità dovuta alla mancanza di 
parti meccaniche.  
Grossi gruppi ad assorbimento vengono, inoltre, impiegati nella produzione di 
acqua refrigerata dove vi è la possibilità di utilizzare eccedenze di calore che 
altrimenti andrebbero disperse o nelle zone in cui manca, o risulta limitata, la 
disponibilità di corrente elettrica. 
1.3 Le tecnologie ad assorbimento per la refrigerazione 
Con il termine sistema frigorifero ci si riferisce a una macchina in grado di 
consentire il trasferimento di energia termica da una sorgente a più bassa 
temperatura a una a più alta ricorrendo all’uso di una fonte energetica esterna. 
Una prima grande classificazione tra le macchine frigorifere è quella basata 
sulla forma di energia utilizzata. Se infatti i refrigeratori con ciclo a compressione 
di vapore sfruttano il lavoro meccanico di un compressore per realizzare il salto di 
pressione necessario al corretto scambio termico con le sorgenti, i sistemi ad 
assorbimento utilizzano energia termica ad elevata temperatura per riscaldare una 
miscela contenuta in un bollitore, generalmente detto generatore o separatore, e 
dare luogo al ciclo termodinamico. 
La presenza di questa sorgente di energia termica ad alta temperatura fa sì che, 
nel caso di una macchina ad assorbimento, il sistema per funzionare si interfacci 
con tre livelli termici. Una prima importante differenza tra i sistemi frigoriferi ad 
assorbimento e quelli a compressione di vapore è, allora, la presenza di una 
ulteriore sorgente termica. In fig. 1.1 sono schematicamente illustrate le 
interazioni che un refrigeratore ad assorbimento, senza riguardo al verso dei flussi 
termici, realizza con una sorgente ad alta 
H
T , una a media 
I
T e una a bassa 
L
T 
temperatura.  
Una seconda classificazione delle macchine ad assorbimento, forse quella più 
diffusa, è basata sui fluidi di lavoro impiegati e vede la seguente suddivisione: 
• refrigeratori ad acqua/bromuro di litio; 
• refrigeratori ad acqua/ammoniaca; 
• refrigeratori ad acqua/ammoniaca/gas ausiliario. 
Sicuramente queste macchine frigorifere non coprono il quadro delle tecnologie 
esistenti; ne esistono altre, ad esempio i sistemi ibridi e quelli che utilizzano 
diverse miscele di lavoro, ben comprese solo a livello sperimentale. Esse non 
hanno trovato ancora applicazione a causa della loro ridotta efficienza oppure del 
basso grado di ottimizzazione, dei costi eccessivi o di altro ancora. 
Per definire a grandi linee alcune caratteristiche essenziali dei sistemi più 
diffusi, è possibile per esempio osservare come un assorbitore ad acqua/bromuro
Capitolo 1: Introduzione 
 
5 
 
di litio, utilizzando acqua come refrigerante, non consenta di ottenere temperature 
di refrigerazione 
L
T inferiori a 0 °C, temperatura alla quale l’acqua solidifica. Per 
tali motivi, questa tipologia di refrigeratore è stata ed è generalmente destinata ad 
assolvere compiti di condizionamento dell’aria. L’impiego, allora, giustifica le 
taglie commercialmente disponibili per questo tipo di refrigeratore (tra 35 kW e   
5 MW di potenza frigorifera). Le sue efficienze si aggirano tra le 0,70 e le 1,35 
unità di energia termica sottratta alla sorgente a bassa temperatura per ogni unità 
di energia termica fornita dall’esterno ad alta temperatura. 
 
 
Fig. 1.1: I tre serbatoi termici interfacciati ai sistemi ad assorbimento 
 
Il refrigeratore ad acqua/ammoniaca, a differenza del precedente, utilizza 
ammoniaca come refrigerante. L’ammoniaca presenta una temperatura di 
solidificazione di –77,7 °C e ciò chiarisce l’impiego di questa macchina 
soprattutto come frigorifero e congelatore industriale. I valori di potenza 
frigorifera si aggirano tra i 10 kW e i molti MW e le efficienze raggiunte si 
attestano attorno alle 0,40-0,70 unità di energia frigorifera sottratta a bassa 
temperatura per ogni unità di energia termica fornita dall’esterno. Uno degli 
svantaggi principali è la tossicità dell’ammoniaca, che limita ad ambienti aperti 
(per sistemi contenenti più di 10 kg di refrigerante) o a locali adeguatamente 
ventilati (per quantità di refrigerante comprese tra 2,5 e 10 kg) l’installazione 
delle macchine. 
Una variante del sistema ad acqua/ammoniaca è quella che opera, oltre che con 
tali componenti, anche con un gas ausiliario, molto spesso idrogeno molecolare o 
elio. Refrigeratori basati su questa tecnologia, diretta discendente del brevetto 
svedese di von Platen e Munters, permettono di realizzare efficienze di 
conversione energetica molto ridotte. D’altro canto essi non dispongono di alcun 
componente meccanico rotante o mobile e producono impatti acustici ridottissimi. 
Il loro più esteso impiego è nella refrigerazione alimentare in ambito domestico, 
ricreativo e alberghiero.  
1.4 Il processo fisico dell’assorbimento 
In un sistema frigorifero ad assorbimento il fluido di lavoro consiste nella 
soluzione binaria di un componente detto refrigerante e di uno detto assorbente.
Capitolo 1: Introduzione 
 
6 
 
In fig. 1.2(a) sono rappresentati due recipienti sottovuoto messi in 
comunicazione da un condotto su cui è installato un rubinetto del tipo “tutto 
aperto/tutto chiuso”. Il recipiente sulla sinistra contiene un fluido refrigerante; 
quello a destra la soluzione tra lo stesso refrigerante e il fluido assorbente. 
All’apertura del rubinetto, il refrigerante allo stato di vapore proveniente dal 
recipiente di sinistra attraversa il condotto e viene assorbito dalla soluzione. Ciò 
causa una riduzione di pressione nello stesso recipiente, subito compensata da una 
nuova evaporazione di refrigerante. Durante il processo di vaporizzazione, 
migrazione e assorbimento, la temperatura del refrigerante liquido che rimane nel 
contenitore di sinistra si riduce a causa della vaporizzazione di una sua parte (il 
calore latente d’evaporazione è sottratto alla massa liquida). Nello stesso tempo, 
la soluzione presente nel recipiente a destra diventa più diluita per il maggior 
contenuto di refrigerante pervenuto dal contenitore a sinistra. Questo fenomeno, 
detto propriamente processo di assorbimento, è generalmente esotermico. La sola 
comunicazione tra due recipienti a diversa concentrazione di refrigerante può 
allora produrre un effetto frigorifero 
L
Q da una parte e una cessione di energia 
termica 
I
Q dall’altra. 
Quando la soluzione nel contenitore di destra non può più continuare ad 
assorbire ulteriori quantità di refrigerante, poiché è giunta alla concentrazione di 
saturazione, il sistema può dirsi in equilibrio. A questo punto la chiusura del 
rubinetto non provoca nessuna ulteriore trasformazione.  
Nel caso si intenda attivare il processo di separazione tra i componenti, il 
processo cioè inverso, occorre riscaldare la soluzione satura. In fig. 1.2(b) si nota 
come la fornitura di energia termica 
H
Q alla soluzione contenuta nel serbatoio di 
destra, in concomitanza di una nuova apertura della valvola di intercettazione, 
consenta l’inversione del processo e, quindi, il trasferimento di una quantità di 
refrigerante allo stato di vapore al serbatoio di sinistra attraverso il condotto di 
collegamento. A contatto con il liquido a temperatura ambiente il vapore condensa 
cedendogli il calore 
I
Q . Per mantenere costante la temperatura della soluzione del 
serbatoio a sinistra è necessario, allora, sottrarre proprio 
I
Q . 
 
 
Fig. 1.2: Il processo di assorbimento (a) e il processo di separazione (b); 
gli scambi termici sono indicati in termini di potenza [W]
Capitolo 1: Introduzione 
 
7 
 
Utilizzando il sistema illustrato in fig. 1.2 non risulta possibile realizzare 
contemporaneamente i processi di assorbimento e separazione, visto che, per 
innescarli, a una stessa soluzione bisognerebbe fornire e sottrarre calore 
simultaneamente. Per questo è necessario porre in collegamento non due, ma 
quattro recipienti, nei quali fare avvenire convenientemente le singole 
trasformazioni. Il risultato è illustrato in fig. 1.3, in cui, poiché il processo di 
separazione avviene a pressione maggiore rispetto a quella che regna nel 
contenitore dove avviene il processo di assorbimento, per garantire i due diversi 
livelli di pressione è necessario prevedere una pompa e due valvole di 
laminazione.  
 
 
Fig. 1.3: Il ciclo ad assorbimento a sottrazione continua di potenza termica 
L
Q
&
 all’utenza 
 
A seguito della fornitura della potenza termica 
H
Q
&
 al generatore, dalla 
soluzione in 1, detta ricca in refrigerante e proveniente dalla pompa, si separa il 
vapore di refrigerante che procede in 3 verso il condensatore. La soluzione 
rimanente in 2, detta povera in refrigerante, fluisce verso la valvola di 
laminazione, di modo che possa portarsi alla pressione dell’assorbitore e 
dell’evaporatore. Il refrigerante, invece, dopo aver attraversato il condensatore e 
aver ceduto all’ambiente la potenza termica 
I
Q
&
, si trova nello stato di liquido 
saturo in 4 e si dirige verso la seconda valvola di laminazione per raggiungere il 
punto 5. La trasformazione 5-6 è quella d’evaporazione. Essa avviene a basse 
temperatura e pressione e consente di sottrarre la potenza termica 
L
Q
&
 all’ambiente 
entro il quale è contenuto l’evaporatore. Nell’assorbitore, infine, si incontrano i 
flussi di refrigerante (punto 6) e di soluzione povera (punto 8). Qui avviene la 
reazione esotermica di assorbimento che si conclude con la produzione della 
soluzione ricca in 7 diretta nuovamente verso la pompa. Al fine di mantenere il 
più possibile in equilibrio tale processo di assorbimento, per le ragioni appena 
dette, è necessario sottrarre all’assorbitore la potenza termica 
I
Q
&
 [4].
Capitolo 1: Introduzione 
 
8 
 
1.5 La realizzazione del processo di assorbimento 
Il rapporto, detto propriamente fattore di ricircolo, tra la portata in massa della 
soluzione circolante tra assorbitore e generatore, composta da fluido assorbente e 
fluido refrigerante, e quella del refrigerante vaporizzatasi nel generatore risulta in 
genere da 2 a 5 volte maggiore rispetto al valore calcolato teoricamente. Ciò è 
dovuto al non raggiungimento delle condizioni di equilibrio della soluzione 
all’interno dell’assorbitore. Quest’ultimo si presenta, dunque, come il componente 
più critico di una macchina frigorifera ad assorbimento [5]. Nel tempo sono stati 
condotti numerosi studi per meglio comprendere e ottimizzare il processo di 
assorbimento del refrigerante compiuto dalla soluzione. Alcuni di questi sono 
esposti qui di seguito. 
La tipologia di assorbitore più comunemente utilizzata per l’acqua/bromuro di 
litio consiste in un recipiente in cui la soluzione allo stato liquido viene fatta 
cadere per gravità su tubi orizzontali raffreddati (fig. 1.4). Il vapore di refrigerante 
viene assorbito dal film liquido creatosi sui tubi [6 – 13] e il calore prodotto dal 
processo viene rimosso istantaneamente. Il tasso di assorbimento di refrigerante 
risulta elevato; il sistema tuttavia necessità di un alto fattore di ricircolo. 
 
 
Fig. 1.4: Schema di un assorbitore a tubi orizzontali bagnati 
 
Un approccio differente è utilizzato per il refrigeratore prodotto da Interotex 
Ltd. [14] (fig. 1.5): il processo di assorbimento avviene in questo caso, non più su 
tubi orizzontali, ma su dischi rotanti raffreddati esternamente [15]. A parità di 
superficie di liquido esposta al vapore di refrigerante, tale sistema consente un 
completamento del fenomeno dell’assorbimento superiore a quanto avviene nel 
modello tradizionale. Ciò consente di ridurre gli ingombri del dispositivo. 
Variante del sistema appena descritto è quella a tamburi rotanti [16]. Per la 
soluzione acqua/ammoniaca, sono riportate in letteratura [17 – 19] numerose 
tipologie di assorbitori basate sui modelli descritti o su loro varianti.
Capitolo 1: Introduzione 
 
9 
 
 
Fig. 1.5: Sistema frigorifero a dischi rotanti Interotex 
1.6 I fondamenti termodinamici del ciclo ad assorbimento 
Un ciclo frigorifero ad assorbimento ideale può essere visto come 
l’accoppiamento di due cicli di Carnot, di cui uno motore e uno operatore. Più 
specificatamente, le trasformazioni termodinamiche che subisce il fluido 
termovettore secondo ognuno dei cicli menzionati devono avvenire entro i confini 
fisici di un solo impianto. Imponendo, come in precedenza, un livello termico ad 
alta 
H
T , uno a media 
I
T e uno a bassa 
L
T temperatura, sarà necessario far operare 
il ciclo di Carnot motore tra 
H
T e 
I
T , mentre quello operatore tra 
I
T e 
L
T . Così, 
se le sorgenti ad alta e bassa temperatura sono destinate a cedere energia termica, 
rispettivamente 
H
Q e 
L
Q , al fluido termovettore, il pozzo termico a temperatura 
intermedia sottrae calore, 
'
I
Q e 
' '
I
Q , a esso. Infine, il lavoro W prodotto dal ciclo 
motore è completamente utilizzato dal ciclo operatore così che quest’ultimo possa 
consentire il trasferimento di energia termica dal livello termico più basso a quello 
intermedio [20]. In fig. 1.6 quanto finora descritto è illustrato sul diagramma 
entropico T-s. 
Assumendo 
H
Q come l’energia termica spesa per azionare il ciclo frigorifero 
ad assorbimento, generalmente viene considerata come effetto utile l’energia 
termica ricavata a temperatura intermedia 
' ' '
I I
Q Q + (cioè si utilizza la macchina 
come pompa di calore per il riscaldamento di un’utenza) oppure l’energia termica 
L
Q sottratta alla sorgente a bassa temperatura (in questo caso il sistema diviene 
un vero e proprio refrigeratore). 
Nel caso di funzionamento in pompa di calore è possibile determinare 
l’efficienza del ciclo calcolando il coefficiente di prestazione (
PdC
COP ) come: 
  
 
H
I I
PdC
Q
Q Q
COP
' ' '
+
=  (1.1)
Capitolo 1: Introduzione 
 
10 
 
o, equivalentemente in termini di potenza, 
  
 
H
I I
PdC
Q
Q Q
COP
&
& &
' ' '
+
=  (1.2) 
 
 
Fig. 1.6: Il ciclo ad assorbimento a partire da due cicli di Carnot 
 
Nel caso, viceversa, di funzionamento della macchina come refrigeratore, si 
determina l’efficienza calcolando un secondo coefficiente di prestazione (
F
COP ) 
come:  
 
 
H
L
F
Q
Q
COP =  (1.3) 
 
ed equivalentemente in termini di potenza 
 
 
H
L
F
Q
Q
COP
&
&
=  (1.4) 
 
Da qui in seguito, nella trattazione si farà riferimento sempre al funzionamento 
della macchina come refrigeratore e la grandezza 
F
COP sarà identificata con 
COP . 
Nel Capitolo 3 verrà poi chiarito come, nella quasi totalità dei casi, risulti 
necessario introdurre un contributo, di entità comunque estremamente ridotta, di 
energia meccanica esterna per consentire alla pompa illustrata in fig. 1.3 di far
Capitolo 1: Introduzione 
 
11 
 
circolare la soluzione dei fluidi di lavoro tra assorbitore e generatore. Il valore di 
questo contributo deve considerarsi energia spesa e quindi nelle definizioni dalla 
(1.1) alla (1.4) andrebbe a sommarsi al denominatore a 
H
Q (o, alternativamente, a 
H
Q
&
). Tuttavia, in tutte le applicazioni pratiche si riscontra come tale potenza 
meccanica W
&
 necessaria alla pompa sia trascurabile in confronto ai valori di 
potenza termica in gioco [21]. 
La necessità di fornire energia meccanica al sistema costituisce un primo fattore 
di allontanamento del ciclo ad assorbimento reale da quello ideale finora descritto. 
Accanto a questo, tuttavia, ne esistono numerosi altri, tra i quali: 
• l’attrito viscoso in seno al fluido di lavoro (si verifica in presenza di un 
flusso di qualsiasi tipo, sia esso liquido o gassoso); 
• l’attrito meccanico tra i confini del sistema e il fluido in esso contenuto 
(generalmente detto perdita di carico); 
• il mescolamento tra le portate di refrigerante e soluzione di fluidi di lavoro 
che si incontrano nell’assorbitore; 
• l’imperfetta adiabaticità del sistema (ogni componente della macchina 
frigorifera è destinato a scambiare calore con l’esterno); 
• l’espansione incontrollata del fluido liquido che si verifica attraverso ogni 
valvola di laminazione. 
Tali fattori di irreversibilità, incrementando il bilancio di produzione entropica 
del sistema, sono causa delle minori efficienze energetiche del ciclo 
termodinamico reale rispetto all’ideale [22 – 27].