FONDAMENTI DI FISICA

I gas, gli elementi che circolano all'interno del circuito frigorifero, seguono alcune leggi fisiche a seconda delle trasformazioni che questi subiscono nel circuito stesso.
Secondo la legge di Boyle la pressione e' inversamente proporzionale al volume.
Cioè premendo un gas con uno stantuffo in un recipiente stagno, la pressione aumenta.
Se la temperatura rimane costante allora queste due quantità cambiano in modo che Pressione*Volume=costante.
Questa legge è applicata nel caso in cui un gas subisca delle trasformazioni dette isoterme, cioè a temperatura costante.


La formulazione matematica della legge di Boyle e' la seguente: PV = Kt dove k e' una costante, ovvero Pressione * Volume = Costante * Temperatura.



La I legge di Gay Lussac, che afferma che il volume occupato da una certa quantità di gas, a temperatura costante, è inversamente proporzionale alla pressione, è applicata nel caso in cui un gas subisca delle trasformazioni dette isobare, cioè a pressione costante.

La II legge di Gay Lussac, che afferma che la pressione del gas è direttamente proporzionale all'aumento della temperatura quando il volume rimane costante, è applicata nel caso in cui un gas subisca delle trasformazioni dette isocore, cioè a volume costante.


Nonostante ciò un gas (o meglio un fluido gassoso) può subire trasformazioni in cui nessuna delle tre grandezze caratteristiche (t, V e p) rimane costante.

ELEMENTI DEL CIRCUITO FRIGORIFERO

Nel campo della refrigerazione industriale, probablimente, il congelamento e la conservazione degli alimenti costituiscono le applicazioni più importanti, per le quali esiste grande attenzione verso la sicurezza degli impianti. In tutte le applicazioni risulta, comunque, fondamentale assicurare il controllo e il mantenimento di certe condizioni:

· temperatura,

· umidità,

velocità dell'aria.

Oltre a questo, è necessario calcolare in maniera precisa il carico frigorifero dovuto al prodotto immagazzinato.
Questo settore si differenzia dal condizionamento e dalla climatizzazione per i carichi frigoriferi e le potenze in gioco, ma il procedimento di produzione del freddo è il medesimo.

Il funzionamento di base del ciclo frigorifero consiste nell'azione combinata di alcuni meccanismi, che sfruttano la proprietà di un elemento (fluido refrigerante) in grado di assorbire il calore presente nell'ambiente in fase di evaporazione, e di cederlo in fase di condensazione.
Infatti è possibile distinguere l'azione del fluido refrigerante all'interno del circuito in due fasi:

1. il fluido refrigerante passa dallo stato liquido a quello gassoso assorbendo dall'ambiente circostante una certa quantità di calore (corrispondente al calore latente di vaporizzazione), raffreddandolo. Ciò avviene in condizioni di temperatura e pressione ridotte.

2. il fluido refrigerante allo stato di vapore cede il calore assorbito, ritorna allo stato liquido e può ricominciare il ciclo descritto.

I principali componenti di un sistema di refrigerazione meccanica sono:

· Compressore: la sua funzione è di aspirare il gas vapore surriscaldato proveniente dall'evaporatore e comprimerlo verso il condensatore dove diventerà nuovamente liquido. Il lavoro meccanico del compressore implica un aumento del calore contenuto nel vapore. Per effetto della compressione aumenta la pressione del vapore e quindi la sua temperatura.

· Condensatore: assorbe il calore del gas che evapora nell'evaporatore (più il calore di compressione) permettendo così la condensazione. Negli impianti frigoriferi il condensatore è costituito da tubi alettati o da una serpentina contenenti un fluido refrigerante, e può essere raffreddato: ad aria, ad acqua, a fascio tubiero.

· Valvola di espansione: ha la funzione di abbassare la pressione del gas proveniente dal condensatore in modo tale da abbassare il punto di ebollizione e quindi la temperatura di evaporazione.

· Evaporatore: accumula il gas liquido che giunge dal condensatore attraverso l'organo di regolazione. Asportando calore dall'aria che attraversa l'evaporatore, il liquido refrigerante evapora mantenendo la pressione costante.

· Ventilatori: vengono impiegati sia per la ventilazione interna , sia per quella esterna. All'interno aspirano aria dall'ambiente e la convogliano attraverso l'evaporatore per poi distribuirla refrigerata nuovamente nell'ambiente. All'esterno hanno lo scopo di raffreddare il refrigerante, forzando la circolazione dell'aria attraverso il condensatore.

All'interno di un refrigeratore il refrigerante viene utilizzato per assorbire calore da una zona e trasferirlo in un'altra. È perciò importante ottimizzare il tasso di trasferimento del calore. A questo proposito vengono in genere utilizzati materiali che hanno una buona conducibilità termica come il rame e l'alluminio. Un altro modo per migliorare il trasferimento del calore è quello di ampliare le superfici di condensatore

FARE FREDDO...

La refrigerazione deve intendersi come un trasferimento di calore da un luogo dove risulta in eccesso ad un altro dove possa venire liberamente smaltito, senza provocare danno o inconvenienti.
Il calore si trasmette spontaneamente da un corpo più caldo ad uno a temperatura inferiore.
Il calore può trasmettersi in tre diversi modi:

· radiazione: forma di trasmissione di calore mediante onde di tipo infrarosso;

· conduzione: forma di trasmissione di calore attraverso corpi solidi, le molecole del corpo trasmettono la propria energia termica dal punto riscaldato a tutte le altre parti del corpo;

convezione: forma di trasmissione di calore tipica dei fluidi (liquido o gas), le molecole del fluido in stato di agitazione termica, migrano attraverso l'ambiente nel quale è confinato il fluido, generando i cosiddetti "moti convettivi".

Questi utlimi due, in particolare, sono utilizzati nella progettazione dei dispositivi di refrigerazione.

Questo trasferimento viene effettuato materialmente da un fluido refrigerante che circola entro un appropriato circuito, detto CIRCUITO FRIGORIFERO.
Un fluido refrigerante, pertanto, deve avere la proprietà di evaporare a temperatura e pressione ridotte, di assorbire calore e di cedere questo calore condensando a una temperatura e una pressione più elevate. Questo procedimento necessita di un apporto energetico.

Stato dei corpi
In natura le sostanze si presentano in tre stati diversi: solido, liquido, gassoso.
Aggiungendo calore ad una sostanza mantenendo invariata la pressione, è possibile cambiare il suo stato da solido a liquido e da liquido a gassoso, viceversa abbassandone la temperatura si può ottenere il processo inverso (da gas a liquido, da liquido a solido).
Inoltre, aumentando la pressione a temperatura costante è possibile cambiare lo stato di una sostanza da gassoso a liquido e da liquido a solido, mentre diminuendola si ottiene il processo inverso (da solido a liquido, da liquido a gassoso).
Ciò che determina la differenza di stato delle sostanze è la distanza relativa fra le molecole. L'acqua è presente in natura in tutte e tre gli stati.

1. Il compressore comprime fluido refrigerante portandolo ad una forma gassosa.
2. Il fluido refrigerante, sotto forma di gas, condensa e diviene liquido ad alta pressione e grazie alla serpentina posta sul retro del frigorifero dissipa il proprio calore.
3. Successivamente il fluido refrigerante in forma liquida ad alta pressione scorre attraverso la valvola di espansione (organo di laminazione o regolazione).
La valvola di espansione è un componente che viene montato fra condensatore ed evaporatore con la funzione di determinare una forte caduta di pressione. Questa valvola soddisfa due funzioni: permette innanzitutto di dosare la quantità di liquido refrigerante necessario nell'evaporatore ed inoltre genera anche un differenziale di pressione indispensabile al completamento del ciclo.

Un differenziale di pressione è molto importante in un ciclo di refrigerazione perché causa un cambiamento del punto di ebollizione del gas. Senza questo cambiamento di pressione la refrigerazione non avverrebbe e il sistema non sarebbe altro che un semplice contenitore di liquido refrigerante.

4. Il fluido refrigerante in forma liquida bolle immediatamente ed evapora assorbendo calore. Questo processo rende l'interno del frigorifero freddo. Il fluido refrigerante sotto forma gassosa successivamente viene aspirato dal compressore e il ciclo si ripete.

Il rapporto tra la quantità di calore ceduto nel condensatore e la quantità di calore spesa in lavoro meccanico, ovvero quantità di energia elettrica consumata per il funzionamento del compressore, viene chiamato COP (Coefficient of Performance) e dipende dalle temperature di evaporazione e di condensazione e dalla qualità intrinseca della macchina.

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