Il calore di compressione

Si definisce ciclo frigorifero quel processo termodinamico in cui si trasferisce calore da un ambiente a temperatura più bassa a uno con temperatura più alta. Il ciclo frigorifero più utilizzato è quello mediante compressione, dove giocano un ruolo fondamentale i cambiamenti di stato di un fluido, a loro volta dovuti a variazioni di temperatura, pressione e volume.

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La macchina frigorifera

In alcuni processi tipici del condizionamento (raffreddamento) nonché per applicazioni nel campo della refrigerazione (conservazione e trasporto di sostanze alimentari) è necessario “produrre freddo” con un ciclo frigorifero. L’espressione “produrre freddo” non è corretta, in quanto, per il secondo principio della termodinamica, il calore si trasferisce sempre da un corpo più caldo ad un altro più freddo. Questo è un processo spontaneo che si verifica in natura senza bisogno di nessuna attività esterna. Il processo inverso, ovvero quello che trasferisce calore da “zone a temperatura più bassa” a “zone a temperatura più elevata” non si verifica spontaneamente e richiede l'ausilio di una macchina frigorifera.

Il ciclo frigorifero più utilizzato soprattutto nella frigo-conservazione è il ciclo mediante compressione.

Il ciclo frigorifero

Un ciclo frigorifero è un ciclo termodinamico in grado di trasferire calore da un ambiente a bassa temperatura (T2) ad uno a temperatura superiore (T1). Il ciclo termico di un frigorifero si basa su cambiamenti di stato di un fluido, cambiamenti dovuti al variare della temperatura, della pressione e del volume. Per far avvenire i passaggi di stato occorre avere un trasferimento di energia che avviene sotto forma di calore. Per far funzionare il ciclo frigorifero e sottrarre calore da un ambiente a bassa temperatura ad uno a temperatura superiore occorre applicare un lavoro di compressione.

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Componenti della macchina frigorifera

La macchina frigorifera è composta da 4 sistemi aperti, che collegati fra loro generano un sistema chiuso:

Due gruppi, all'interno delle quali avviene il cambiamento di stato del fluido:

Evaporatore: produce freddo nell'ambiente da raffreddare; il fluido refrigerante passa dallo stato liquido a quello di vapore assorbe calore nell'ambiente da raffreddare.
Condensatore: produce caldo ad un mezzo raffreddante, in genere aria o acqua cede calore, ritornando così allo stato liquido.

Due gruppi, che mantengano forzatamente le due diverse temperature T1 e T2:

Compressore: aumenta la pressione, cioè comprime il fluido allo stato gassoso prima che questo nel condensatore passi allo stato liquido;
Valvola di laminazione: provoca invece una diminuzione di pressione che favorisce il passaggio dallo stato liquido a quello di vapore, passaggio che avviene nell'evaporatore.

Il compressore è il cuore di un impianto frigorifero. Ha la funzione di aspirare il vapore saturo dall'evaporatore per poi comprimerlo e facilitare così la sua fluidificazione, a causa
dell’aumento di pressione che viene indotto. Il compressore è solitamente di tipo alternativo formato da un cilindro al cui interno scorre un pistone. Attraverso una valvola di aspirazione il cilindro si riempie di vapore saturo che viene compresso dal pistone nel suo movimento verso la testa del cilindro; ciò provoca un innalzamento della pressione e un conseguente surriscaldamento del vapore.

Attraverso l’apertura della valvola di compressione il vapore uscirà per giungere nel condensatore.

Fasi del ciclo frigorifero

Il ciclo frigorifero viene abitualmente rappresentato nel diagramma Pressione-Entalpia.

Nel punto A^I il fluido frigorigeno è allo stato di liquido sottoraffreddato, all’uscita del condensatore. Il fluido entra nella valvola di laminazione e subisce una trasformazione isoentalpica che ne diminuisce la pressione e la temperatura.

A^I – B espansione del fluido attraverso la valvola.
L’espansione è adiabatica e isoentalpica (senza scambio di calore con l’esterno ed ad entalpia costante).
Nell’evaporatore il liquido completa il cambiamento di stato vaporizzando, e passa dallo stato liquido a quello gassoso.

B – C trasformazione a pressione e temperatura costanti nell’evaporatore.
La vaporizzazione è isoterma e isobara e il refrigerante assorbe una grande quantità di calore (Q2) dall’ambiente circostante, raffreddandolo. Nel punto C il fluido passa nella condizione di vapore saturo. Dal punto C a C^I si effettua un surriscaldamento del vapore allo scopo di evaporare eventuali goccioline di liquido rimaste.
All’uscita dall’evaporatore il vapore viene aspirato dal compressore e compresso, subisce un aumento di pressione e temperatura. La compressione necessita, di una certa energia esterna (lavoro Lc ), corrispondente al lavoro meccanico del compressore (calore di compressione).

C^I – D compressione adiabatica (senza scambio di calore con l’esterno) nel compressore.
Durante questo passaggio si registra un aumento significativo della temperatura del fluido e della pressione.

Nel punto D il fluido refrigerante si trova nel campo del vapore surriscaldato. Il gas surriscaldato e ad elevata pressione passa dal compressore nel condensatore. Qui per effetto del fluido di raffreddamento (aria o acqua) il gas inizia a cedere il proprio calore. Si verifica dapprima un abbassamento di temperatura per lo smaltimento della frazione sensibile di calore (senza passaggio di stato) sulla curva (D – E).

A questa fase segue la condensazione del fluido, cioè il cambiamento di stato da vapore a liquido saturo (E – A).
Il fluido viene raffreddato con una trasformazione isobara.

A – A^I si effettua un sottoraffreddamento allo scopo di ottenere un maggior effetto frigorigeno.