Funzionamento:

Il funzionamento di un circuito frigorifero implica continue trasformazioni di energia da una forma ad un’altra e scambi di energia tra un’entità ed un’altra.

La figura mostra un diagramma schematico di un impianto frigorifero elementare per la produzione di freddo. Questo ciclo costituisce un esempio importante per la produzione ad esempio di impianti di condizionamento e trattamento aria che vedremo però più nello specifico successivamente. Il funzionamento di questo impianto, si basa su continue variazioni di pressioni e volume, di una relativamente piccola massa costante di un liquido, con particolari proprietà chimico fisiche, chiamato “refrigerante”  che viene fatto passare, tramite un compressore, in un condensatore, successivamente attraverso una valvola di laminazione e poi nell’evaporatore.

»   Il funzionamento del compressore avviene grazie all’energia elettrica che esso assorbe dalla linea di alimentazione.
In funzione del rendimento del compressore tale energia elettrica viene trasformata parte in energia meccanica (che consente di far circolare il refrigerante nel circuito) e parte in energia termica (che produce un riscaldamento del refrigerante allo stato di vapore in uscita dal compressore).
In alcuni tipi di compressori viene realizzato uno scambio termico tra il refrigerante entrante nel compressore e gli avvolgimenti elettrici del rotore e dello statore del compressore stesso, con il duplice scopo di raffreddare questi ultimi e di vaporizzare eventuali goccioline liquide presenti nel refrigerante prima che giungano nel cilindro per la compressione.

»   Al condensatore il refrigerante entra allo stato di vapore ed esce allo stato liquido: il passaggio di stato avviene in conseguenza dello scambio di energia termica (calore) tra il refrigerante e l’ambiente esterno.
La quantità di calore ceduta dal refrigerante verso l'esterno è pari alla quantità di calore acquistata durante il passaggio nell'evaporatore aumentata dell'equivalente termico del lavoro di compressione (ossia della quantità di calore dovuta all'aumento di pressione del gas)

»   Nell’organo di laminazione il refrigerante si raffredda e diminuisce di pressione: la resistenza che il refrigerante liquido incontra nell’attraversare l’organo di laminazione fa spendere ad una parte di refrigerante l’energia termica che possiede (ed in conseguenza di ciò esso si raffredda).
Tale energia viene assorbita  dalla restante parte di refrigerante che grazie ad essa vaporizza.
Durante il processo di laminazione non si ha scambio di energia termica tra refrigerante ed ambiente esterno ma solo un trasferimento di tale energia all’interno del refrigerante stesso (processo adiabatico).
»   All’evaporatore entra refrigerante allo stato liquido (più una piccola parte di vapore) ed esce refrigerante allo stato di vapore: il passaggio di stato avviene grazie allo scambio di energia termica tra la sorgente da raffreddare (la cella frigorifera o l’ambiente da condizionare) ed il refrigerante. Oltre che nei quattro componenti fondamentali di un impianto frigorifero si possono realizzare scambi di energia anche in altri punti dell’impianto stesso: basti pensare alle più comuni procedure per il surriscaldamento del vapore nella linea di aspirazione o al sottoraffreddamento del liquido in uscita dal condensatore.

Rappresentazione grafica di un ciclo limite:

Nella figura è riportato il diagramma entalpico  p-h per il fluido frigorigeno R22 e le varie trasformazioni che interessano su tale piano relativamente al ciclo frigorifero elementare. Descriviamo ora schematicamente le quattro trasformazioni che il fluido frigorigeno subisce nella macchina frigorifera.

· La trasformazione 1- 2 è la compressione durante la quale il fluido frigorigeno (allo stato gassoso) proveniente dall’evaporatore viene inviato al condensatore, si osserva quindi il passaggio dalla pressione p_e alla pressione p_c e il cambiamento della temperatura che da t_e passa a t_c. Il lavoro che il compressore effettua è dato dalla variazione di entalpia scriveremo quindi la seguente relazione:      L_c = h₂ – h₁

· La trasformazione 2 - 3 è isobarica e rappresenta la condensazione a temperatura t_c preceduta da un desurriscaldamento. Durante questa trasformazione il fluido frigorigeno cede il calore dato da:    q_c = h₃ – h₂

· La trasformazione 3 – 4 interessa la valvola di laminazione dove il fluido  (divenuto ormai liquido)  si espande in modo isoentalpico  passando dalla isobara p_c a quella p_e a cui corrisponde l’abbassamento della temperatura da t_c a t_e.

· La trasformazione 4 – 1 rappresenta la fase attiva del ciclo ovvero dove si riscontra l’effetto frigorifero. Il fluido frigorigeno  evapora nell’evaporatore a pressione p_e e alla temperatuta t_e assorbendo calore che si esprime:      q_e = h₁ – h₄ 

Per valutare l’efficienza di una macchina frigorifera ci avvaliamo di una ulteriore relazione che ci fornisce il coefficiente di effetto frigorifero. Tale coefficiente è denominato C.O.P. (coefficent of performance) cioè coefficiente di prestazione.       C.O.P.= q_e / L_c    

Per ogni fluido frigorigeno esiste il proprio diagramma che avrà come ordinata la pressione in scala logaritmica e come ascissa l’entalpia.

Per capire il funzionamento effettivo che svolgono i componenti li associamo passo   passo alle trasformazioni del ciclo:

Spiegazione della produzione del freddo:

Perchè il frigorifero produce freddo? Per dare una spiegazione ci riferiamo alla figura a lato, che mostra la vista esplosa dei vari componenti.

Il circuito frigorifero è composto da un evaporatore (posizione 7 e 9) dentro il quale circola un liquido refrigerante che ha la proprietà di evaporare a temperature molto basse (anche -30/-40 °C).
Per evaporare tale liquido ha bisogno di calore (il cosiddetto calore latente di evaporazione), che sottrae all'aria che è presente all'esterno dell'evaporatore, nella cella frigorifera (posizione 4).
Togliendole calore, l'aria si raffredda. Per avere differenti temperature dell'aria dentro la cella esiste un termostato, regolabile mediante una manopola (posizione 3). Il termostato ha un elemento sensibile (posizione 10) che solitamente viene collocato a contatto con l'evaporatore per sentirne la sua temperatura.
Il refrigerante, una volta evaporato, viene aspirato allo stato gassoso dal compressore (posizione 13), che lo comprime (aumentandone la sua pressione) e lo spinge verso il condensatore (posizione 8) posizionato nella parte retrostante del frigorifero. Qui il refrigerante cede il calore posseduto (che aveva acquistato passando dentro l'evaporatore) all'aria che lambisce esternamente il condensatore.  Per tale ragione il condensatore è sempre molto caldo! (posizione 6) Cedendo calore, il gas si trasforma in liquido (fenomeno della condensazione). Passando in un tubicino molto sottile, il liquido diminuisce fortemente la sua pressione e risulta così pronto per transitare nuovamente nell'evaporatore, dove è in grado di produrre un'ulteriore quantità di freddo. L'apertura della porta del frigo (posizione 1) provoca l'entrata di aria calda e umida nel frigorifero.  Tale umidità, a contatto con la superficie fredda dell'evaporatore tende a congelare, formando la brina. Periodicamente è necessario, quindi, procedere allo sbrinamento, per evitare che il frigorifero raffreddi di meno e consumi di più. L'acqua proveniente dallo sbrinamento viene raccolta in un gocciolatoio (posizione 12) che convoglia tale acqua all'esterno del frigorifero, sopra il compressore, che grazie all'alta temperatura a cui si trova riesce a farla evaporare.

Tecniche ed accorgimenti per aumentare il coefficiente di effetto frigorifero:

· Compressione a due stadi con refrigerazione intermedia

Un aumento del coefficiente di effetto frigorifero può essere ottenuto effettuando una compressione a due stadi refrigerando il fluido frigorifero all’uscita della prima fase di compressione. Tale accorgimento produce notevoli vantaggi: per primo riduce il lavoro di compressione, basta ricordarlo dalla relazione della compressione a stadio unico :     L_c = h₂^l – h₁  Con la compressione realizzata da un compressore bistadio    risulta invece la seguente:      L_c = (h₂ – h₁) + (h₄ – h₃). Per realizzare tale ciclo bisognerà utilizzare un compressore bistadio  e la refrigerazione intermedia che dovrà sottrarre la quantità di calore:     q_r = h₂ – h₃ mediante un opportuno refrigerante

· Compressione due stadi con refrigerazione intermedia e sottoraffreddamento

Per migliorare ulteriormente il coefficiente di effetto frigorifero oltre a diminuire il lavoro di compressione si procede al sottoraffreddamento del liquido frigorigeno. Si ottiene così un aumento dell’effetto frigorifero ed una diminuzione del lavoro di compressione. Utilizziamo come fluido refrigerante lo stesso fluido frigorigeno del circuito sia per effettuare la refrigerazione intermedia del fluido frigorigeno,  tra i due stadi del compressore, che per sottoraffreddare il fluido frigorigeno all’uscita del condensatore . L’impianto può essere realizzato in due modi con cicli frigoriferi differenti, noi analizzeremo un impianto frigorifero a due stadi con espansione intermedia parziale :

Si osserva l’uscita del fluido frigorigeno dal condensatore (6), lo stesso fluido si divide secondo due tubazioni distinte, una piccola parte di esso (x) viene inviata alla valvola di laminazione dove si espande alla pressione p_i ed inviata direttamente al refrigeratore intermedio (7). Allo stesso arriva il fluido frigorigeno surriscaldato proveniente dal primo stadio di compressione. I due fluidi si miscelano nella parte superiore, uno desurriscaldandosi e l’altro vaporizzando (x). L’altra aliquota (1-x) proveniente dal condensatore entra nel refrigeratore intermedio che funziona anche come uno scambiatore a superficie e si raffredda per poi entrare nella valvola di laminazione principale. Il fluido frigorigeno passa così dal punto 6 al punto 8 sottoraffreddandosi. Con l’espansione nella valvola di laminazione principale il fluido frigorigeno si porta nel punto 9 all’entrata dell’evaporatore, esce vaporizzato nel punto 10 e si surriscalda passando da 10 a 1, per compiere poi un nuovo ciclo.

Pompa di calore e frigorifero

Analizzando il ciclo frigorifero, abbiamo visto che l'effetto ottenuto è quello di trasferire calore da un ambiente interno ad uno esterno; non abbiamo però dato alcuna importanza al calore ceduto all'aria esterna, considerandolo come perduto in quanto ciò che interessava era raffreddare l'aria interna. Però questo è un effetto che può essere utilizzato dato che il calore ceduto all'ambiente può risultare molto utile d'inverno per riscaldare l'ambiente stesso. L'idea è molto semplice. Tenendo fissi i due scambiatori di calore, se al posto di percorrere un ciclo frigorifero in senso orario come abbiamo visto finora, lo percorriamo in senso antiorario, l'evaporatore, che prima raffreddava l'aria, diventa un condensatore in grado di riscaldarla. Questa inversione del ciclo è realizzata in un condizionatore che funziona anche come pompa di calore. Esso sarà in grado di raffreddare l'ambiente in estate e riscaldarlo in inverno solo percorrendo il ciclo frigorifero in senso orario o in senso antiorario. L'inversione richiede l'inserimento nel circuito di una valvola a quattro vie che permetta, a seconda della funzione su cui è commutata la macchina, di inviare il fluido in uscita dal compressore, indifferentemente nella batteria interna o in quella esterna che in questo caso non sono state indicate coi termini di condensatore ed evaporatore in quanto si scambiano vicendevolmente le loro funzioni.

Concludiamo dicendo che ci sono due tipi di funzionamento della Macchina frigorifera:

· La pompa di calore, che produce un riscaldamento

· Il frigorifero, che produce un raffreddamento

Nota: Il rendimento della pompa di calore (Cop = Coefficent of performance)è sempre il rapporto tra ciò che entra e ciò esce dal sistema, perciò in questo caso sarà il rapporto tra il calore prodotto nel condensatore (Q_c) e il lavoro del compressore (L_c):                C.O.P. = Q_c / L_c

solitamente il Cop è uguale al coefficiente di prestazione del frigorifero più uno, e questo è significativo perché dimostra che a pari consumi il rendimento della pompa di calore sarà sempre maggiore di quello di un frigorifero.

Riscaldamento tramite pompa di calore:

Nel caso di funzionamento invernale il cassetto interno della valvola a 4 vie si è spostato mettendo in comunicazione il lato ad alta pressione del compressore (scarico) con la batteria interna che diventa calda e si comporta da condensatore, ed il lato a bassa pressione (aspirazione) con la batteria esterna che diventa fredda e si comporta da evaporatore: abbiamo così realizzato un ciclo che utilizza il calore del condensatore che nel caso estivo veniva invece disperso.

Fig.: Esempio di utilizzo di una pompa di calore per il generico riscaldamento di una casa, mediante raffreddamento dell’aria esterna.

Raffreddamento con “frigorifero”

Nel caso di funzionamento estivo il percorso dl fluido è inverso ovvero con la parte calda costituita dalla batteria esterna che si comporta da condensatore.

Fig.: Esempio di raffreddamento di una generica casa, mediante riscaldamento dell’aria esterna.

I fluidi frigorigeni

Come si è detto, vengono definiti frigorigeni i  fluidi utilizzati negli impianti frigoriferi e a pompa di calore.

Un fluido frigorigeno deve avere particolari caratteristiche:

·       Non deve essere pericoloso per le persone,

·       Non deve essere dannoso per l’ambiente,

·       Non deve aggredire chimicamente i componenti del ciclo;

In più

·       Deve poter mantenere all’interno del suo campo di lavoro, una pressione maggiore di quella atmosferica, al fine di impedire entrate di aria umida nell’impianto;

·       Occore che presenti nelle normali condizioni operative, un rapporto non troppo elevato tra e pressioni di condensazione ed evaporazione, per minor consumo di energie per la compressione;

·       Occorre infine, che alla temperatura di evaporazione, sia particolarmente elevato il valore del calore latente di cambiamento di fase, mentre allo stesso tempo deve essere basso il valore del volume specifico, per diminuire la portata volumetrica per unità di flusso termico asportato.

Anche l’acqua presente certe caratteristiche che soddisfano queste condizioni: è infatti assolutamente ecologica e a basso costo, ma purtroppo non consente di scendere a valori inferiori di 0°C. Inoltre il suo volume specifico alle basse temperature è elevato, con pressioni di saturazione piuttosto ridotte. Ciononostante l’acqua si presta a certi compiti, come nelle macchine frigorifere ad assorbimento, utilizzate nel condizionamento ambientale.

Oltre all’acqua, nel corso della storia si sono provati altri fluidi “naturali”, tra i quali anidride carbonica, propano e l’ammoniaca ( l’unica utilizzata ancora ai nostri giorni, con le dovute precauzioni che impone, specie nei grandi magazzini frigoriferi).

Con l’avvento dei fluidi alogenati, ottenuti partendo dal metano o dall’etano, per sostituzione, totale o parziale, degli atomi di idrogeno con atomi di cloro e fluoro (dai quali poi prendono il nome di Cloro-Fluoro-Carburi), si è abbandonato l’utilizzo dei prodotti naturali.

I fluidi alogenati, hanno buone caratteristiche;

·       Non sono tossici

·       Non sono infiammabili

·       Non sono corrosivi

·       E sono caratterizzati da proprietà termodinamiche favorevoli,

·      E infine per ogni campo di applicazione a varie temperature, è possibile scegliere tra uno o più fluidi frigorigeni che possiedano i più adatti requisiti

Si capisce perciò come i fluidi frigorigeni “naturali” siamo stati abbandonati quando la DuPont ha messo sul mercato questi nuovi fluidi specifici, sotto il nome commerciale di “Freons”.

Ora la normativa tende a catalogare questi fluidi sintetizzati, contraddistinguendoli con l’iniziale R della parola inglese “Refrigerant”, seguita da un numero con più cifre che ne identifica la composizione chimica.

Quanto calore si deve togliere ad un litro di acqua per diminuire la sua temperatura?

Quanto calore si deve togliere ad un litro di acqua per diminuire la sua temperatura, senza che cambi di stato?
Dipende di quanti gradi si vuole raffreddare l'acqua. E se vogliamo raffreddare due litri di acqua, occorre sottrarre la stessa quantità di calore? Ovviamente no, occorre sottrarne di più. E se invece di raffreddare un litro di acqua volessimo raffreddare un litro di un'altra sostanza? La nostra esperienza ci dice che è necessario sottrarre una differente quantità di calore. Ma allora come esprimere tutto questo in forma matematica?
Se chiamiamo Q il calore che deve essere sottratto alla sostanza, c_s il suo calore specifico, t_f la temperatura finale e  t_i la temperatura iniziale, allora possiamo scrivere la seguente equazione:      Q = C_s ^. m ^. ( t_i – t_f )

Da essa notiamo come la quantità di calore sensibile da sottrarre risulta direttamente proporzionale alla massa della sostanza, al suo calore specifico, ed alla diminuzione di temperatura che vogliamo ottenere.

Esempio

Per raffreddare 1 litro di acqua dalla temperatura di 30 °C a 2 °C occorre sottrarre una quantità di calore pari a

Q = 4,18 x 1 x ( 30 - 2 ) = 117,04 kJ

Evidentemente il raffreddamento di una quantità doppia di acqua richiede la sottrazione di una quantità doppia di calore

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