Climatizzazione e refrigerazione: due facce della stessa medaglia
Il funzionamento dei sistemi di refrigerazione industriale e di condizionamento dell'aria si basa sul medesimo meccanismo: il raffreddamento di un fluido, generalmente acqua o aria, tramite l'evaporazione di un fluido refrigerante. Parte integrante e centrale di entrambi i sistemi è il circuito frigorifero, che si compone di compressore, evaporatore, condensatore ed organo di laminazione.
La refrigerazione è quel processo che riduce la temperatura di fluidi o corpi in genere, che si ottiene sottraendo calore da un locale (una stanza, un vano, un contenitore) mantenuto al di sotto della temperatura esterna.
In particolare viene utilizzato nel processo di conservazione temporanea di merci deteriorabili, come gli alimenti, portandole anche a temperature fino a -60 °C. Nell'industria alimentare, infatti, la refrigerazione è una delle attività più delicate poiché rallenta la proliferazione batterica negli alimenti e consente di preservarne intatte le proprietà organolettiche dei prodotti, prolungandone il tempo di conservazione.
Come anticipato, la refrigerazione è uno processo e al tempo stesso uno strumento di enorme importanza in una vasta gamma di contesti moderni.
É applicata infatti:
- Nell’industria alimentare per conservare i cibi
- In contesto edile per la climatizzazione
- In medicina e la biologia per la conservazione di campioni e alcune terapie
- Nei laboratori di ricerca per esperimenti superconduttività, sistemi di vuoto etc.
- In astronomia, per il raffreddamento dei sensori CCD e CID dei telescopi.
La refrigerazione applicata alla climatizzazione
Un climatizzatore è un dispositivo per il raffrescamento degli ambienti confinati che, anche se non tutti se ne rendono conto, funziona in modo simile a un frigorifero. In questi macchinari il refrigerante circola attraverso il sistema e cambia di stato o condizione.
Il "ciclo di refrigerazione" si compone di quattro fasi.
- Il refrigerante viene pompato lungo il sistema grazie all’attività del compressore. Il liquido, che inizialmente è un gas a bassa pressione, viene via via compresso e, a causa di questa azione, si riscalda durante il suo percorso verso il condensatore.
- Una volta giunto al condensatore, il gas ad alta pressione e ad alta temperatura rilascia il proprio calore nell'aria esterna e si trasforma in un liquido sottoraffreddato ad alta pressione.
- Il liquido ad alta pressione viene fatto scorrere attraverso la valvola di espansione che ne riduce la pressione. In seguito a questo passaggio la temperatura scende al di sotto di quella dello spazio refrigerato. Ciò che ne risulta è un liquido refrigerante freddo a bassa pressione.
- Il fluido refrigerante a bassa pressione scorre infine verso l'evaporatore, dove assorbe naturalmente calore dall'aria interna, ed evaporando si trasforma in un gas a bassa pressione. Il gas, tornato al suo stato originale, torna al compressore, dove ricomincia il ciclo.
Il ciclo appena descritto può anche essere invertito per produrre riscaldamento, come accade nei sistemi a pompa di calore.
Il circuito frigorifero
Anche se li abbiamo già citati descrivendo i passaggi del ciclo frigorifero, approfondiamo quelli che sono i quattro elementi fondamentali di un circuito frigorifero:
1) Il compressore
Cuore pulsante di ogni macchina per il condizionamento e per la refrigerazione, ha il compito di comprimere il gas refrigerante e portarlo ad alta pressione, alzandone di conseguenza la temperatura.
È l’elemento che fornisce il lavoro necessario a realizzare il ciclo termodinamico, cioè alla trasformazione del gas refrigerante a bassa pressione in fluido refrigerante ad alta pressione, dotato di una temperatura compatibile con quella del fluido raffreddante esterno. I compressori possono essere di tipo alternativo o rotativo.
2) Il condensatore
Il condensatore è uno scambiatore di calore costruito in modo da garantire il miglior scambio possibile di calore tra il fluido refrigerante che scorre all’interno delle serpentine e l'altro fluido (aria, acqua o altro) utilizzato per il riscaldamento o il raffrescamento. All'interno del condensatore avviene il cambio di stato del fluido frigorigeno che cede calore all’esterno.
Per effetto della compressione data dal compressore, il fluido giunge in condizioni di vapore surriscaldato al condensatore, nel quale si raffredda e si condensa, cedendo il proprio calore al fluido di raffreddamento, dopodiché esce dal condensatore in condizioni di liquido.
Nel condensatore dei condizionatori il fluido refrigerante entra allo stato gassoso, ad alta pressione e ad una temperatura superiore ai 100°C, mentre ne fuoriesce allo stato liquido a media temperatura (circa 40°C) e alta pressione (circa 16 atm).
La classificazione dei condensatori generalmente è effettuata a partire dal fluido termovettore utilizzato: aria o acqua.
3) L'evaporatore
L’evaporatore è un componente equivalente e speculare al condensatore. Qui il fluido refrigerante allo stato liquido passa allo stato gassoso assorbendo calore dall’esterno, raffreddando il fluido che passa dall'altra parte.
La funzione dell’evaporatore è quella di sottrarre calore dal fluido da trattare, sia esso aria o acqua, per trasferirlo al circuito.
4) Fluido termovettore
Il fluido termovettore può essere, controintuitivamente, un liquido o un gas che trasporta calore. I fluidi termovettori più diffusi sono aria e acqua, ma differenti applicazioni possono sfruttare soluzioni diverse per massimizzare i risultati dell’impianto.
Il liquido termovettore cede calore al fluido refrigerante e, per facilitare l’evaporazione del refrigerante, in genere nei condensatori ed evaporatori vengono utilizzati tubi di rame con un alto coefficiente di conducibilità termica.
5) Valvola di espansione
La valvola di espansione è una sorta di rubinetto con passaggio di dimensioni estremamente ridotte, attraverso cui il fluido refrigerante allo stato liquido passa alla sezione del circuito a bassa pressione.
Il passaggio nel rubinetto immaginario avviene attraverso un foro di una misura adeguata al mantenimento delle giuste pressioni a valle e a monte garantendo così il passaggio della giusta quantità di liquido.
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