Come funziona un frigorifero: termodinamica applicata (parte 3)

Terzo capitolo del corso per frigoristi, dopo due capitoli introduttivi sui principi della termodinamica sul funzionamento del ciclo frigorifero e sulla trasmissione del calore, vediamo nella pratica come funziona un frigorifero.

Come funziona un frigorifero

Quando variamo in modo definito le caratteristiche di pressione, volume e temperatura di una sostanza, se tale trasformazione è periodica, si dice che siamo in presenza di un ciclo termico e, normalmente, la macchina termica è il mezzo con cui si realizza tale ciclo. Se poi questa trasformazione si ripete periodicamente con la stessa quantità di fluido e, posto all’interno di un sistema ermetico, allora si dice che siamo alla presenza di un ciclo chiuso.

Come funziona il ciclo frigorifero: cos’è e a cosa serve

Nelle macchine frigorifere si realizza un trasporto di calore, mediante la periodica trasformazione delle condizioni di una quantità definita di un fluido, che percorre un circuito dal quale non può sfuggire. Scopo delle trasformazioni è di assorbire calore dal vano refrigerato per poi trasferirlo all’esterno. Ciò si realizza sfruttando la proprietà dei fluidi di scambiare calore a seconda delle condizioni di pressione e temperatura a cui si trovano. Per esaltare ulteriormente questa proprietà si fa ricorso alla transizione di fase in cui si può sfruttare, oltre al calore sensibile, anche quello latente (grandi quantità di calore latente assorbito o restituito all’atto del cambiamento di fase). Il frigorifero si concretizza in un ambiente termicamente isolato a cui viene dato il nome di “cella” e da un sistema frigorifero ove sono presenti i vari componenti.

Possiamo, teoricamente, dividere il circuito frigorifero in due sezioni ben distinte e caratterizzate da pressioni differenti. Chiameremo “circuito di alta pressione” quello che inizia dallo scarico del compressore, attraversa il condensatore e finisce in una strozzatura che nei frigoriferi domestici, ma non solo, è realizzata mediante un tratto di tubo capillare e che, in altri casi, da una valvola o un qualsiasi altro “organo di strozzamento”. Dopo l’organo di strozzamento inizia quel circuito che chiameremo “circuito di bassa pressione” e che termina all’ingresso del compressore. Per quanto detto si deduce che all’interno dell’”organo di strozzamento”, avviene un crollo controllato di pressione, mentre dentro al compressore si realizza un innalzamento della pressione.

Dentro alla cella frigorifera si trova una parte del circuito di bassa pressione chiamato “evaporatore”, mentre tutta la restante apparecchiatura, si trova all’esterno. Per imparare a conoscere i componenti elementari di questo circuito potremmo partire da un qualsiasi punto dato che, come detto in precedenza, tutto il processo è un “ciclico termico chiuso”, ma è consuetudine cominciare dall’ingresso del refrigerante nel compressore.

La sostanza che usualmente viene definita con i termini “gas”, oppure “refrigerante” è un fluido facente parte della famiglia dei “basso bollenti” di cui fanno parte tutti quei fluidi che hanno una transizione di fase liquido → vapore ad una pressione superiore a quella atmosferica (o raramente anche inferiore) e che, alla pressione atmosferica bollono a temperature definite basse. Tanto per fare un esempio citeremo le temperature normali di ebollizione di alcuni refrigeranti:

Non ci si deve stupire nel vedere delle temperature così basse: l’acqua, alla pressione atmosferica bolle a 100°C, il refrigerante R125, alla pressione atmosferica, bolle a -48,09°C; ciò significa che alla temperatura di -48,10°C si trova in fase liquida e non bolle così come succede per l’acqua alla temperatura di 99,99°C.

Il compressore aspira del refrigerante in fase di vapore surriscaldato (vedere il concetto di vapore surriscaldato), lo comprime e lo scarica ad una pressione più alta e, conseguentemente, ad una temperatura maggiore per poi prosegue il suo viaggio in alta pressione ad una temperatura superiore a quella dell’ambiente.

Durante la compressione infatti, il gas recepisce una quantità di calore pari al lavoro speso che, nel nostro caso potrebbe essere grossomodo rappresentato dall’energia elettrica spesa per compiere il lavoro di compressione (vedere compressione di un gas). Per definire la temperatura allo scarico sono necessarie le tre condizioni precedentemente citate.

Correlazione tra pressione e temperatura

Il liquido fuoriuscito dal condensatore procede nel suo percorso fino a giungere all’organo di strozzamento e qui, per procedere oltre, deve cedere gran parte dell’energia cinetica per vincerne la resistenza; a seguito di ciò ne consegue un calo di pressione all’interno del liquido. Ma se il liquido era stabile nello stadio di alta, non lo è più nello stadio di bassa (vedere esempi citati per l’ebollizione) e comincia a bollire trasformando il liquido in vapore. Questo fenomeno però si realizza dentro all’evaporatore, che come detto precedentemente si trova dentro alla cella frigorifera. Affinché l’evaporazione possa completamente realizzarsi, il liquido deve assorbire una certa quantità di calore sia dalle pareti della cella frigorifera, sia dall’aria in essa contenuta, sia dai prodotti in essa contenuti; tale scambio è infatti indispensabile per favorire, all’interno del fluido frigorigeno, una diversa agitazione molecolare. Pertanto, le pareti del frigorifero, l’aria in esso contenuta e le derrate alimentari conservate in cella dovranno cedere calore, e questo corrisponde ad un abbassamento della temperatura rispetto allo stato iniziale, quindi l’ambiente frigorifero si raffredda. Lo stesso concetto, visto sotto un altro punto di vista, vede il gas che evaporando raffredda le pareti dell’evaporatore le quali, a loro volta scambiano calore (ovvero raffreddano) l’aria circostante, che a sua volta raffredda la merce contenuta all’interno del frigorifero.

L’aria che è venuta a contatto con la merce (o con le pareti del frigorifero, o le derrate, o…) si scalda e la sua densità diminuisce. Quando la densità dell’aria cala, questa diventa più leggera rispetto a quella più fredda, e quindi vi galleggia sopra; tale fenomeno porta l’aria più calda a salire verso l’alto dove è posto l’evaporatore. Qui avviene un altro scambio termico che raffredda nuovamente l’aria che ridiscenderà lungo il frigorifero. Ogni volta che una porzione di aria più calda scambia calore con l’evaporatore, è indispensabile che una corrispondente porzione di refrigerante cominci a bollire scambiando con le pareti dello stesso calore latente (il refrigerante assorbe energia termica eseguendo una transizione di fase liquido vapore). All’uscita dell’evaporatore, tutto il liquido si è trasformato in vapore saturo (o leggermente surriscaldato) che si avvia verso il compressore. Poiché questo tratto di tubazione si trova all’esterno del frigorifero e dato che detta parte del circuito si trova ad una temperatura inferiore a quella dell’ambiente, avviene uno scambio di calore ambiente → tubazione e i vapori saturi (o leggermente surriscaldati) incrementano la loro temperatura arrivando al compressore, generalmente, surriscaldati. Da qui ricomincia il processo descritto.

Leggi anche le due parti precedenti: