Il circuito frigorifero

Considerando positive le energie entranti, la macchina a vapore trasforma l’energia entrante sotto forma di Calore ( +Qc ) in energia utile, lavoro(-Lt); nella macchina frigorifera, si considerano i segni delle energie invertite; si interviene quindi sul ciclo immettendo lavoro (+Lc ), con la conseguenza che il sistema assorbirà il calore (- Qe ) .
La macchina frigorifera è composta da quattro sistemi aperti, che collegati fra loro generano un sistema chiuso.

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 o impianti geotermici. 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.
Per chiudere il ciclo è necessario infine abbassare pressione e temperatura, il che avviene facendo passare il fluido, ormai in forma liquida, attraverso un organo di laminazione che solitamente è un capillare, una valvola termostatica o una valvola elettronica di laminazione.

IL COMPRESSORE

All’inizio il liquido viene compresso adiabaticamente nel compressore, che necessita però, di una certa energia esterna ( lavoro Lc ), per essere mosso: questo azionamento è effettuato nella maggior parte dei casi tramite motori elettrici (anche se non mancano esempi di accoppiamento con motori a combustione interna o macchine alternative a vapore).

Compressione adiabatica del compressore nel grafico P – v

Come si evince chiaramente dal ciclo termodinamico, l'energia spesa dal compressore si trasferisce nel gas evolvente, che, per effetto di questo lavoro, si surriscalda rispetto alla temperatura di saturazione che compete alla pressione raggiunta a valle del compressore.

IL CONDENSATORE

Il vapore surriscaldato giunge ad alta pressione dal compressore. Con una trasformazione isobara, viene raffreddato, fino ad una temperatura ottenibile tramite un semplice raffreddamento ad aria o acqua, che in alcuni casi può essere anche forzato.

Trasformazione isobara del condensatore nel grafico P – v

Il refrigerante dunque, mantenendo costante la sua pressione si condensa totalmente, passando dallo stato gassoso a quello liquido, ad una temperatura inferiore, e rilasciando perciò una certa quantità di calore ( Qc ) dal sistema.

LA VALVOLA DI LAMINAZIONE

Nella valvola di laminazione il fluido refrigerante effettua una espansione isoentalpica, che in questo caso, non avviene in un organo meccanico, come lo era la turbina nel ciclo della macchina a vapore, capace anche di scambiare lavoro con l’esterno.
Infatti, a causa del ridotto volume specifico che il fluido ha durante la sua trasformazione, il lavoro ottenibile nell’espansione, sarebbe solamente una piccola frazione di quello speso nel compressore, e non giustificherebbe l’uso di un espansore meccanico, delicato e costoso.

Espansione adiabatica della valvola do laminazione nel grafico P – v e grafico P – v dell’espansione della turbina con Lavoro che sarebbe potuto essere recuperato.

Per questi motivi, è favorito l’impiego di un organo di laminazione statico, che può essere costituito da una valvola (valvola di strozzatura), o da un tubo di piccolo diametro (tubo capillare).
Da questo deriva che bisogna tener conto dell’irreversibilità di questa espansione, perfino nei cicli inversi standard ideali.

EVAPORATORE

Nell’evaporatore il liquido completa il cambiamento di fase vaporizzando, e passa dallo stato liquido a quello gassoso.

Vaporizzazione isoterma e isobara dell’evaporatore nel grafico P – v

La vaporizzazione è isoterma e isobara e il refrigerante assorbe una grande quantità di calore ( Qe ) dall’ambiente circostante, raffreddandolo.

Lo scopo della macchina frigorifera, come abbiamo visto, è di trasformare l’energia entrante sotto forma di lavoro (Lc), in assorbimento di calore (Qe), uscente.

IL FRIGO DI CASA

Nei modelli più di diffusi di frigoriferi, il compressore è posto in basso nella parte posteriore del mobile, e lungo la parete trova luogo il condensatore.

Il compressore è collegato al circuito refrigerante tramite due tubazioni: il tubo di mandata con il quale il compressore stesso "pompa" il gas refrigerante lungo il circuito, ed il tubo di ritorno, tramite il quale il gas ritorna al compressore. Vi è un'ulteriore spezzone di tubo chiuso, il cosiddetto tubo di servizio, mediante il quale viene effettuata la carica di gas nel momento della produzione dell'apparecchio, e che serve anche per successive eventuali operazioni di ricarica.

Nel momento dell'accensione dell'apparecchio, tramite il termostato, che permette anche di impostare la temperatura desiderata nel vano da esso controllato, giunge corrente all'unità di avviamento collegata al compressore, e lo stesso inizia a marciare comprimendo e spingendo il gas refrigerante, tramite il tubo di mandata, nel condensatore. In questo momento il gas è molto caldo, ed il condensatore, una vera e propria superficie dissipante, lo raffredda riscaldando l'aria esterna, allo scopo di renderlo liquido. Ovviamente ne deriva che questo scambio termico è molto importante per il buon funzionamento e l'ottimale resa dell'apparecchio. Se il condensatore è ostruito da notevoli depositi di polvere, o si trova a "lavorare" in uno spazio angusto e privo di aria, tutto l'apparecchio ne può risentire.
Continuando a scorrere, il gas entra nel tubo anticondensa, direttamente saldato al condensatore, che è ancora caldo, e transitando all'interno di questo tubo, percorre il perimetro della porta del vano congelatore.
(Il tubo anticondensa è solitamente immerso nella schiumatura del mobile. Questa particolare posizione dipende dal fatto che in questo modo la battuta della guarnizione magnetica della porta congelatore viene riscaldata, impedendo la formazione di condense).
Il gas ora, raffreddato e liquefatto, esce dal tubo anticondensa ed entra nel filtro disidratatore, composto da centinaia di piccole palline che assorbono un’eventuale umidità del gas refrigerante.
(Questo accorgimento è molto importante, perché l'umidità, ghiacciando all'interno del circuito, potrebbe provocare otturazioni dello stesso, impedendo l'ottimale o la totale circolazione del gas).
All'uscita dal filtro disidratatore, il gas entra nel tubicino capillare, solitamente in rame, e a causa del forzato cambio di pressione diventa freddo e a bassa pressione, con la trasformazione adiabatica precedentemente illustrata. Giunti all'evaporatore posto internamente, nello scomparto frigorifero, il gas si espande e si raffredda ulteriormente, assorbendo il calore esistente in questo vano, raffreddandolo.