LA TECNICA DEL FREDDO
Francesca Cappelletti
Parte I
• Ripasso di teoria sui cicli inversi e la produzione del freddo
• Il ciclo a compressione di vapore: componenti
• I fluidi refrigeranti
• Applicazioni per l’edilizia
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La produzione del freddo
Per refrigerazione di intende il trasferimento di calore da un
ambiente che deve essere mantenuto a bassa temperatura ad
un altro in cui può essere agevolmente smaltito.
Questo processo viene realizzato da un fluido refrigerante in un
circuito frigorifero.
Il fluido refrigerante deve avere la capacità di asportare calore
dall’ambiente da refrigerare evaporando a bassi valori di
pressione e temperatura e cederlo all’ambiente esterno
condensando a più elevate pressione e temperatura.
Il calore che il fluido refrigerante asporta coincide con il suo
calore latente di vaporizzazione.
3
Calore latente di vaporizzazione
È il calore necessario all’unità di massa [J/kg] di una sostanza per
effettuare il passaggio di stato dell’evaporazione ad un certo
valore di pressione e temperatura.
Nelle trasformazioni liquido vapore e vapore liquido
vengono assorbite e rilasciate le stesse quantità di calore.
Perciò il calore latente di vaporizzazione per una particolare
sostanza è esattamente uguale al calore di condensazione.
In generale il calore latente ha valori molto grandi rispetto ai
calori specifici delle sostanze in fase liquida e gassosa.
ATTENZIONE: il calore latente dipende dalla pressione (e dunque
anche dalla temperatura) a cui avviene il cambiamento di fase.
4
Grandezze fisiche fondamentali
Temperatura: lo scopo della tecnica del freddo è scendere al di
sotto della T ambiente.
Pressione: come vedremo, pressione e temperatura sono
strettamente legate l’una all’altra.
Entalpia: è la grandezza usata in termodinamica (e quidi in
tecnica del freddo) per definire lo stato energetico di una
sostanza che si trova a determinate condizioni di pressione e
temperatura.
5
Unità di misura delle grandezze fondamentali
Temperatura: l’intervallo di temperatura si misura normalmente in
gradi centigradi valutati sulla scala kelvin [K] o Celsius [°C]
Pressione: si misura in Pascal [Pa], ma in questo campo si
preferisce il MegaPascal [Mpa] o il bar (1 bar = 0.1 Mpa)
Entalpia: essendo un’energia si misura in joule [J]
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Cambiamento di stato di 1 kg di acqua a pressione atmosferica
mediante apporto costante di energia termica
7
Diagramma pressione-entalpia
Nella tecnica del freddo i cicli frigoriferi sono rappresentati in diagrammi p-h,
dove possono essere evidenziati alcuni aspetti caratteristici del fluido frigorigeno
e del ciclo.
Punto critico: punto di massimo della curva. Al di sopra della temperatura critica
il fluido si presenta solo allo stato gassoso, al di sotto possono avvenire i passaggi
di stato (evaporazione e condensazione).
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Temperatura di saturazione
Si definisce temperatura di saturazione di un fluido (in corrispondenza di un certo
valore di pressione) quella alla quale ha luogo il processo di vaporizzazione al
valore considerato della pressione. Poiché non tutto il liquido evapora
contemporaneamente, durante il processo di evaporazione si ha compresenza
di liquido e vapore.
9
10
Come si produce il freddo?
E’ esperienza comune che il calore passa spontaneamente da corpi a
temperatura elevata a corpi a bassa temperatura. Per fare avvenire il
processo contrario è necessario mettere a punto degli opportuni
dispositivi che vengono detti macchine frigorifere, i quali hanno le
seguenti caratteristiche:
1. Funzionano secondo trasformazioni termodinamiche cicliche: alla
fine di ogni ciclo la macchina si ripresenta nelle condizioni iniziali
pronta trasferire ancora calore.
2. Assorbono calore da una sorgente a bassa temperatura.
3. Cedono il calore assorbito a una sorgente a temperatura elevata.
4. Necessitano di una ulteriore quota di energia immessa dall’esterno
sotto forma di lavoro (o calore).
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Teoria: secondo principio della termodinamica
Non esiste una macchina operante in modo ciclico il cui unico effetto
sia lo scambio termico con sorgente a bassa temperatura verso una
sorgente a temperatura più elevata
T1
T1
q1
Lavoro
M
T1 > T2
q1
M
q2
T2
q2
T2
Importante
Lo scambio termico avviene spontaneamente da sistemi a temperatura più
alta verso sistemi a temperatura più bassa.
Esempi
Fluido a q = 40 °C cede calore all’aria ambiente a 20°C
che si riscalda
Fluido a q = -5 °C riceve calore dall’aria ambiente a 20°C
che si raffredda
Fluido a q = -10 °C cede calore a un fluido a q = -20°C
che tende a scaldarsi
Evaporatore: scambiatore di calore con fluido in evaporazione
Condensatore: scambiatore di calore con fluido in condensazione
Tipi di macchine frigorifere
• A compressione di vapori saturi (le più usate)
• Ad aria (usate nella climatizzazione di velivoli a reazione)
• Ad assorbimento (utili se si dispone di cascami termici)
• Ad effetto termoelettrico Peltier (usate per piccolissime potenze:
qualche watt)
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Il ciclo frigorifero a compressione
Il ciclo inverso a compressione di vapore costituisce uno dei cicli
utilizzati nelle macchine per il trasferimento di calore da sistemi a
bassa temperatura a sistemi ad elevata temperatura.
Il ciclo si basa sul fatto che il passaggio di stato liquido-vapore
può avvenire in un verso o nell’altro al variare della pressione e
delle condizioni ambientali con assorbimento o cessione di
calore.
Si utilizza un fluido “frigorigeno” in grado, nel passaggio di stato,
di assorbire una elevata quantità di calore per unità di massa.
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Dispositivi tecnologici
Nella realizzazione pratica di un ciclo a compressione di vapore per il
trasferimento di calore (ciclo frigorifero) le trasformazioni che lo
compongono avvengono in dispositivi tecnologici.
I dispositivi più importanti sono i seguenti:
• condensatore - scambiatore di calore in cui condensa un vapore;
• evaporatore - scambiatore di calore in cui evapora un liquido;
• compressore - aumenta la pressione di un gas;
• valvola di laminazione - abbassa la pressione di un liquido.
16
Il ciclo frigorifero a compressione
compressore
Zona raffreddata
condensatore
Il primo frigorifero a compressione di gas messo a punto da Willis Carrier
Il ciclo frigorifero a compressione: schema meccanico
2-3 evaporazione: si ottiene un vapore surriscaldato
condensatore
1
Qa
3-4 compressione del fluido con aumento di
pressione
4-1 condensazione: si ottiene un liquido
sottoraffreddato
4
1-2 espansione isoentalpica: diminuzione della
pressione
L
valvola di
laminazione
compressore
2
3
Qb
evaporatore
18
Il compressore (A) comprime il fluido refrigerante a circa 20bar (che è una
pressione dieci volte superiore a quella dei pneumatici delle automobili) e gli fa
raggiungere la temperatura di circa 80°C. A questa temperatura il gas arriva al
condensatore esterno (B) e cede parte del suo calore all’aria aiutato dal
ventilatore. Il gas, quindi, si raffredda e diventa liquido e viene costretto a
passare attraverso un piccolo foro (C). Attraversato questo foro il liquido
ritorna in parte allo stato gassoso e si raffredda scendendo a circa 5°C. Il gas
passa poi all’evaporatore (D) posto all’interno dell’ambiente e aiutato dal suo
ventilatore cede il freddo all’aria. A questo punto il gas tornerà al compressore
pronto a iniziare un nuovo ciclo.
Facciamo il punto sui componenti principali di un circuito frigorifero a
compressione
Evaporatore: scambiatore di calore in
cui il fluido evapora asportando calore
dall’ambiente da refrigerare
Compressore: componente meccanico
che aspira il fluido refrigerante
evaporato e lo comprime innalzandone
la pressione e la temperatura
Condensatore: scambiatore di calore in
cui il vapore condensa cedendo il
calore latente di condensazione
all’ambiente circostante
Valvola di laminazione: in cui il
condensato si espande diminuendo di
pressione e temperatura riportandosi alle
condizioni iniziali del ciclo
Tubazioni: fungono da collegamento fra
i vari organi
20
Coefficiente di prestazione
Il COP (Coefficient of Performance) è il rapporto tra l’effetto
frigorifero (potenza scambiata dall’evaporatore, qev) e la
potenza meccanica scambiata dal compressore Pc.
COP
qevaporatore
Pcompressore
Un indice analogo è l’EER (Energy Efficiency Ratio).
In questo caso il rapporto tra le diverse grandezze è espresso
in unità coerenti (es. W/ W)
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Il ciclo reale a compressione di vapore
Componenti di un circuito frigorifero a
compressione di vapore
• compressore - aumenta la pressione di un gas (vapore
surriscaldato)
• condensatore - scambiatore di calore in cui condensa un
vapore
• evaporatore - scambiatore di calore in cui evapora un liquido
• Valvola di laminazione: abbassa la pressione del vapore
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Compressore
Tipi di compressore
Alternativo
A palette (rotary)
Scroll
A vite
Centrifugo
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Compressore
Alternativo
Vantaggi: tradizionalmente
conosciuto da riparatori e
manutentori;
Svantaggi: troppi elementi
(scarsa affidabilità)
troppe parti in movimento
(rumorosità);
Destino: è in corso di estinzione
a vantaggio dei meno
rumorosi e più affidabili
compressori Scroll e Vite
25
Compressore Alternativo
Vantaggi: tradizionalmente
conosciuto da riparatori e
manutentori;
Svantaggi: troppi elementi
(scarsa affidabilità)
troppe parti in movimento
(rumorosità);
Destino: è in corso di estinzione
a vantaggio dei meno
rumorosi e più affidabili
compressori Scroll e Vite
26
Compressore Alternativo
27
Compressore rotativo a palette (rotary)
Vantaggi: economicità ed il minimo
ingombro che ne fanno la scelta
migliore per applicazioni domestica a
ridotta capacità (frigoriferi,
congelatori, condizionatori).
28
Compressore Scroll
Brevettato nel 1905, si
riesce a costruire solo da
qualche decina d’anni.
29
Compressore scroll
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Vantaggi del compressore scroll
• Elevato rendimento volumetrico (spazio nocivo quasi nullo);
• Elevato COP
• Bassa rumorosità (circa 8db(A) in meno dell’alternativo);
• La compressione avviene con carichi simmetrici (due sacche
simmetriche) e ciò riduce al minimo le vibrazioni;
• Ottima qualità del rumore (curva acustica spostata verso le
alte frequenze: le più facili da abbattere);
• Buona resistenza al colpo di liquido;
• Elevata affidabilità.
31
Compressore a vite
• Elevata affidabilità e durabilità
Numero di parti mobili inferiore di circa
10 volte a quello dei compressori
alternativi;
Si stima che la probabilità di guasto di
un singolo compressore sia un quarto di
quella di un alternativo;
• Regolazione della capacità
•
•
•
•
•
•
frigorifera
Lunga durata
Resistenza ai colpi di liquido
Maggiore silenziosità
70% più piccolo di un
alternativo
80% più leggero di un
alternativo
Silenzioso
32
Compressore centrifugo
• L'uso è limitato ad elevate
•
•
•
•
capacità frigorifere e bassi
rapporti di compressione
(solitamente grandi chiller ad
R134a)
La capacità frigorifera può
essere variata mediante
l'impiego di alette che
modificano l'angolo di ingresso
del fluido nella girante.
Molto silenzioso (no parti in
contatto)
Senza olio
Cuscinetti magnetici: no attrito
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Condensatore
Aria: batteria alettata
Acqua: controcorrente, a piastre, a fascio tubiero
34
Gli scambiatori di
calore: la funzione è di
consentire lo scambio
termico tra il fluido
frigorigeno (interno) e
l’esterno (aria o acqua)
Evaporatore
Aria: batteria alettata
Acqua: a piastre, a fascio tubiero
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I componenti: l’espansione
Lo scopo del capillare è di equalizzare le pressione del
condensatore e dell’evaporatore
compressore
Il frigorifero
condensatore
organo di
laminazione
evaporatore
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Nel frigorifero domestico
l’evaporatore
il condensatore
Fluido refrigerante: caratteristiche
Non infiammabile, non tossico, non nocivo per l’ambiente, non corrosivo per i
tubi.
Ridotto volume specifico, per diminuire la cilindrata del compressore.
Compatibile con gli olii lubrificanti impiegati nei compressori.
Bassa temperatura di saturazione alla pressione atmosferica (es. temperatura di
saturazione dell’ammoniaca alla patm= -33.35°C).
Valori della pressione di saturazione alle temperature richieste non inferiori a
quella atmosferica (per evitare ingressi d’aria nel circuito).
Elevati valori del calore latente di vaporizzazione alla pressione atmosferica, per
ridurre la quantità di fluido presente a parità di effetto frigorifero ottenuto.
40
Tipologie di refrigeranti utilizzati
Fino a circa venti anni fa erano utilizzati:
CFC: clorofluorocarburi totalmente alogenati
HCFC: idroclorofluorocarburi parzialmente alogenati
FREON
L’utlizzo incontrollato di questi fluidi ha determinato l’assottigliamento
della fascia di ozono (O3).
CFC: al bando dal 2003. Produzione completamente eliminata dal 2010
HCFC: la loro produzione come refrigeranti sarà bandita dal 2030 (2040
nei paesi in via di sviluppo)
A seguito del protocollo di Montreal (1992) e successive leggi nazionali
applicative (L. 549/93), sia CFC che HCFC sono stati progressivamente
eliminati e sostituiti con nuovi fluidi privi di cloro (HFC) a potenziale
distruttivo dell’ozono nullo, ma che causano l’effetto serra.
41
Effetto Serra - GWP
L'indicatore effetto serra viene calcolato considerando, tra le sostanze
emesse in aria, quelle che contribuiscono al potenziale riscaldamento
globale del pianeta terra.
La quantità in massa di ciascuna sostanza, calcolata sull'intero ciclo di
vita del prodotto, viene moltiplicata per un coefficiente di peso,
chiamato potenziale di riscaldamento globale (GWP, Global Warming
Potential). Sommando poi i contributi delle varie sostanze si ottiene il
valore aggregato dell'indicatore.
Le sostanze che contribuiscono all'effetto serra sono principalmente:
CO2, CH4, N2O, CFC, gli HCFC e gli HFC.
La CO2 è la sostanza di riferimento per questo indicatore, vale a dire che
il suo coefficiente di peso è uguale a 1 e i valori dell'indicatore sono
espressi in kg di CO2 equivalente (kg CO2 eq).
Assottigliamento della fascia di ozono stratosferico: ODP
La riduzione della fascia di ozono stratosferico si calcola come
l'indicatore precedente, ma facendo riferimento a diverse sostanze
(CFC, HCFC) e con un diverso coefficiente di peso, chiamato potenziale
di riduzione dell'ozono (ODP, Ozone Depletion Potential).
La sostanza presa come riferimento è in questo caso un cloro - fluoro carburo e precisamente il CFC - 11.
Sostanza di riferimento CFC-11
Chemical Name
Lifetime
,
in years
ODP1
(WMO
20021)
ODP2
(Montreal
Protocol)
ODP3 (40
CFR)
GWP1
(WMO 2002)
GWP2
(SAR)
GWP3
(TAR)
GWP4 (40
CFR)
CAS
Number
Group I
CFC-11 (CCl3F)
Trichlorofluorometh
ane
45
1.0
1.0
1.0
4680
3800
4600
4000
75-69-4
CFC-12 (CCl2F2)
Dichlorodifluoromet
hane
100
1.0
1.0
1.0
10720
8100
10600
8500
75-71-8
CFC-113 (C2F3Cl3)
1,1,2Trichlorotrifluoroeth
ane
85
1.0
0.8
1.0
6030
4800
6000
5000
76-13-1
CFC-114 (C2F4Cl2)
Dichlorotetrafluoroet
hane
300
0.94
1.0
1.0
9880
9800
9300
76-14-2
CFC-115 (C2F5Cl)
Monochloropentaflu
oroethane
1700
0.44
0.6
0.6
7250
7200
9300
76-15-3
Group II
Halon 1211
(CF2ClBr)
Bromochlorodifluoro
methane
16
6.0
3.0
3.0
1860
1300
353-59-3
Halon 1301 (CF3Br)
Bromotrifluorometha
ne
65
12
10.0
10.0
7030
6900
75-63-8
Halon 2402
(C2F4Br2)
Dibromotetrafluoroet
hane
20
<8.6
6.0
6.0
1620
124-73-2
HFC 134a (Freon R134a)
Refrigerante puro, cioè non ottenuto per miscela, pertanto si
mantiene inalterato durante le fasi di condensazione ed
evaporazione. Viene considerato un refrigerante di nuova
generazione, perché ha influenza trascurabile rispetto all’ozono e
all’effetto serra.
● HFC 407C (R407c)
Miscela composta di R32, R125 e R134a. Presenta il problema,
comune a molte miscele, di dar luogo all’effetto glide, fenomeno
che si verifica durante le fasi di condensazione ed evaporazione per
cui le pressioni di lavoro rimangono invariate ma i componenti del
fluido si separano.
● HFC 410A (R410a)
Miscela composta di R32 e R125 con effetto glide quasi trascurabile.
Sostituisce egregiamente l’R22 negli impianti di climatizzazione
perché ha maggiore resa frigorifera e consente di utilizzare
componenti di minori dimensioni. Questo tuttavia è anche uno
svantaggio perché impone di riprogettare gli impianti.
ODP e GWP dei fluidi refrigeranti più comuni
Effetto serra (global warming)
Calcolo del potenziale di riscaldamento equivalente totale
TEWI (total equivalent warming potential)
TEWI = DGW + IGW
DGW (direct global warming) = M x GWP
M è la massa del refrigerante dispersa nella vita utile della macchina
compresa la fase di smantellamento della stessa
GWP è il global warming potential specifico del refrigerante usato
IGW (Indirect global warming = k x E
k è la massa, in kg, di CO2 prodotta per produrre 1 kWh elettrico
(in Italia 0.71, in UE la media è 0.51)
E è energia consumata nel ciclo di vita, in kWh
48
Nomenclatura dei refrigeranti
CFC = cloro fluoro carburi, elevato OPD
HCFC = idro cloro fluoro carburi, basso OPD, elevato GWP
HFC = idro fluoro carburi, OPD nullo, elevato GWP
HFO = idro fluoro olefine, OPD nullo, basso GWP
HC = idrocarburi, ODP nullo, GWP trascurabile
Ammoniaca, CO2 = ODP nullo, GWP nullo o trascurabile
49
Ammoniaca (R717): è un fluido naturale, OPD e GWP nulli, presenta tuttavia
tossicità, corrosività ed esplosività tali da renderlo tuttora un refrigerante di
nicchia. È utilizzato in purezza in macchine per il condizionamento di piccole
dimensioni con ciclo frigorifero tradizionale o in impianti di refrigerazione di
grandi dimensioni con ciclo di assorbimento in miscela con acqua, una
tipologia piuttosto differente da quelle comunemente utilizzate.
Anidride carbonica, CO2 (R744): è un fluido naturale, OPD nullo, GWP=1,
non ha le controindicazioni degli altri fluidi naturali e per questo gode
favore nei paesi attenti all'ambiente, per esempio nel nord Europa. Tuttavia
presenta pressioni di lavoro anche 10 volte superiori rispetto agli altri
refrigeranti ed a temperature ambiente superiori ai 20-25°C non può essere
condensato. Questo significa che per molte applicazioni il circuito frigorifero
deve essere modificato per lavorare in condizioni dette super-critiche,
dotandolo di componenti resistenti alle alte pressioni e sistemi di controllo
delle pressioni stesse. È in corso l'analisi di fattibilità della sostituzione con
R744 dell'R134a nel condizionamento per auto che ovviamente imporrà una
nuova progettazione dei sistemi utilizzati oggi.
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I condizionatori autonomi monoblocco
I condizionatori autonomi monoblocco effettuano la climatizzazione
ambientale direttamente poiché realizzano autonomamente i
trattamenti di raffreddamento, deumidificazione, filtrazione e diffusione
dell’aria.
I condizionatori da finestra costituivano sino ad un recente passato
l’unica soluzione disponibile per il raffrescamento di piccoli ambienti
Idonei per applicazioni che richiedono potenze frigorifere non superiori
a 6-7 kW (civili abitazioni, piccoli locali…)
Tutti gli organi che realizzano il ciclo frigorifero sono collocati all’interno
di una piccola macchina posizionata a finestra o incassata in una
muratura esterna.
51
Condizionatori autonomi: spot cooler
Gli SPOT COOLER sono la naturale evoluzione
dei condizionatori da finestra. Sono macchine
mobili in grado di seguire l’utente nei vari
locali a seconda delle necessità.
Macchine molto compatte dotate di filtri in
cui un unico motore serve i due ventilatori.
Alcuni modelli possono essere utilizzati
semplicemente
come
deumidificatori,
effettuando una diminuzione della quantità di
vapore presente mediante il fenomeno della
condensa.
Il raffreddamento del condensatore avviene
mediante aria aspirata dall’ambiente che
deve essere poi smaltita all’esterno attraverso
un tubo di scarico inserito in un serramento o
su una parete.
Lo smaltimento della condensa viene fatto
manualmente.
52
Sistemi SPLIT
Gli SPLIT SYSTEM sono condizionatori
molto diffusi negli ultimi anni grazie ad
una maggiore potenzialità frigorifera in
grado di condizionare una civile
abitazione o piccoli locali commerciali
o per il terziario.
Il trasferimento del gruppo motocondensante all’esterno consente di
avere una ridotta rumorosità, evitando
dispersioni di calore all’interno del
locale e superando la difficoltà di
realizzare aperture nelle finestre.
Le due unità sono collegate da una
doppia tubazione flessibile all’interno
della quale circola il fluido refrigerante.
53
Unità di uno split
Modalità raffrescamento
Modalità riscaldamento
(pompa di calore)
Sistema SPLIT: unità interna
L’unità interna è costituita generalmente da un elettroventilatore
centrifugo e da una batteria di raffreddamento e deumidificazione ad
espansione diretta dotata di filtro d’aria.
Unità interna a soffitto
Unità interna a pavimento
L’unità interna può essere collocata a pavimento, a parete, oppure a
soffitto con l’apparecchio montato orizzontalmente all’interno dello
spazio creato dalla eventuale controsoffittatura
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Sistemi Multi-split a espansione diretta
Nelle soluzioni con potenze più piccole, le unità motocondensanti
possono essere collocate su un balcone o fissate su opportune staffe su
una parete esterna, mentre le unità di dimensioni più grandi devono
essere poste sulla copertura dell’edificio.
Il campo di potenze frigorifere coperto
da questo tipo di applicazione è piuttosto
ampio; nelle situazioni con potenze più
elevate si adotta la soluzione di una unità
motocondensante che alimenta più
fancoil.
58
Multi Split a espansione diretta
Roof-top
Per potenze frigorifere superiori a 7- 8 kW si può adottare la soluzione ROOF-TOP
con la macchina di condizionamento autonomo collocata all’esterno (di solito
sulla copertura) e la distribuzione dell’aria in ambiente attraverso canali passanti
attraverso la copertura dell’edificio.
Nella gamma di potenze da 12 a 17 kW viene utilizzato un solo compressore con
un unico circuito frigorifero.
La circolazione dell’aria di
raffreddamento del condensatore è
assicurata da uno o due ventilatori
elicoidali posti nella parte superiore
della macchina con scarico verso
l’alto
64
Parte II
• Applicazioni nell’industria alimentare (catena del freddo,
refrigeratori per il trasporto degli alimenti)
• Cella Peltier
• Ciclo ad assorbimento
• Pompe di calore
65
La catena del freddo
L'espressione catena del freddo indica il mantenimento dei
prodotti surgelati ad una temperatura costante e comunque
inferiore ai -18°C, dalla produzione alla vendita.
La catena del freddo inizia dal produttore, passa attraverso la
fase di stoccaggio, arriva nei magazzini di vendita e prosegue
fino al cliente finale.
Monitorare la catena del freddo è un'esigenza basilare per le
aziende alimentari di prodotti freschi e surgelati.
surgelazione (<-18°C): il prodotto surgelato è caratterizzato da
piccolissimi cristalli che si formano all'interno del tessuto
cellulare senza provocare alterazioni.
refrigerazione (<+4°C): all'interno del prodotto si possono
formare cristalli di ghiaccio di maggiori dimensioni che perforano
le pareti cellulari provocandone la rottura.
Frigoriferi: il trasporto su container
Frigoriferi: il trasporto su treno
Frigoriferi: il trasporto su treno
Frigoriferi: il trasporto su autocarro
Frigoriferi: il
trasporto aereo
Frigoriferi commerciali
Frigoriferi commerciali
Frigoriferi commerciali
Frigoriferi commerciali: schema di circuito
Frigoriferi domestici: tipologie
frigoriferi
Total No Frost
LG A+++
che
garantisce il
60% di
risparmio
energetico
rispetto alla
classe A.
Effetti termoelettrici
L’effetto Peltier
In un circuito chiuso formato da due materiali diversi A e B, se
viene indotta la circolazione di corrente elettrica di intensità I,
si ha, in corrispondenza delle due giunzioni, sviluppo ed
assorbimento di calore di entità proporzionale all’intensità
della corrente ed alla tipologia di materiali.
Una comune cella Peltier è formata da due materiali
semiconduttori drogati di tipo N e di tipo P, collegati tra loro da
una lamella di rame.
Se si applica al tipo N una tensione positiva e al tipo P una
tensione negativa, la lamella superiore si raffredda mentre
quella inferiore si riscalda. Invertendo la tensione lo
spostamento di energia termica viene invertito.
In commercio esistono celle Peltier isolate e celle Peltier non
isolate: le prime sono rivestite sotto e sopra da materiale
ceramico e garantiscono rendimenti maggiori delle seconde.
Un semiconduttore con eccesso di elettroni è detto semiconduttore di
tipo N, mentre un semiconduttore con un eccesso di lacune è detto
semiconduttore di tipo P.
I droganti più comuni di tipo N per il silicio sono il fosforo e l‘arsenico.
Da notare che entrambi questi elementi sono nel Gruppo V della
tavola periodica, e il silicio è nel Gruppo IV.
Quando il silicio è drogato con atomi di arsenico o di fosforo, gli atomi
di questi droganti sostituiscono atomi di silicio nel reticolo cristallino
del semiconduttore, ma poiché hanno un elettrone esterno in più
del silicio, essi tendono a fornire questo elettrone alla banda di
conduzione.
Il drogante di tipo P di gran lunga più usato per il silicio è l'elemento
del Gruppo III boro, il quale ha un elettrone esterno in meno del
silicio e così tende a prendere un elettrone dalla banda di valenza, e
quindi a creare una lacuna.
Un drogaggio pesante del semiconduttore può aumentare la sua
conduttività elettrica di un fattore di oltre un miliardo.
Passando dal materiale drogato p a quello drogato n
attraverso la giunzione fredda, gli elettroni assorbono energia
per superare il locale gradino di potenziale.
Dato che l’energia assorbita viene sottratta, sotto forma di
calore sensibile, alla piastrina metallica che costituisce la
giunzione, questa si raffredda.
Al lato caldo succede il contrario, a causa del segno opposto
del gradino di potenziale.
Le prestazioni in refrigerazione di una coppia termoelettrica
possono essere stimate valutando i diversi apporti energetici
alla giunzione fredda. Questi sono principalmente causati da:
a) effetto Peltier
b) effetto Joule (dissipazione elettrica)
c) effetto Fourier (conduzione termica)
Una cella di peltier è composta da più cellette, dalle 30 cellette in
su. In commercio si trovano prevalentemente celle del tipo
isolato, con la parete superiore ed inferiore in ceramica, che è un
materiale isolante.
le celle Peltier assorbono necessariamente un gran quantitativo
di corrente elettrica. Una tipica cella di dimensioni 30 × 30 × 4
mm da 25 W, può presentare una caduta di tensione ai suoi capi
di 8,5 V e assorbire 2,1 A.
Una coppia termoelettrica elementare è costituita da due
prismi in materiale semiconduttore.
Il materiale semiconduttore, tipicamente una soluzione solida
di bismuto-antimonio-tellurio-selenio, presenta drogaggio di
tipo p in uno dei due prismi, mentre nell’altro presenta
drogaggio di tipo n.
Anche per le celle di Peltier si è definito il
rendimento energetico il cui il nome è COP
altrimenti chiamato, coefficente di prestazione.
Questo è il rapporto, in altre parole (Q/P), che
rappresenta quanto lavoro ha fatto (= la quantità
endotermica Q) di fronte alla energia elettrica
gettante (p) che è data alla cella.
Ma nel campo realistico di applicazione della cella
di Peltier, molte volte il valore è molto piccolo,
ad esempio in frigoriferi di piccoli dimensioni il
valore è (generalmente) circa 0.2.
I consumi
Fonte, ENEA, 2003
da qualche tempo sui frigoriferi,
congelatori e frigocongelatori è applicata
una etichetta colorata con frecce e altri
simboli, l’etichetta energetica, la
quale permette di conoscere
caratteristiche e consumi dei frigoriferi,
valutando fin dal momento dell’acquisto
il consumo annuo di ciascun modello.
Classe
kWh/anno
Costo per energia
elettrica
A+++
< 188
< 34,00
A++
188 – 163
34,00 – 47,30
A+
263 - 344
47,30 – 61,90
B
344 -468
61,90 – 84,20
C
469 – 563
84,20 – 101,30
D
563 – 625
101.30 – 112,50
E
625 – 688
112,50 -123,80
F
688 – 781
123,8 – 140,6
G
> 781
> 140,6
Per un Frigo/congelatore da 300 litri. Costo 1 kWh = 0,18 Euro
Frigoriferi domestici: flussi termici
Tipiche prestazioni (-18°C ÷ 32°C)
termoelettrico
assorbimento
compressione
0,09 W /W
0,44 W/W
1,3 W/W
L’analisi energetica
Documento di supporto tecnico (USA – 1995)
Le indicazioni per un risparmio dei consumi prevedevano:
- aumento delle prestazioni del compressore (EER = 5,45)
- ventilatori per aumentare l’efficienza dell’evaporatore;
- aumento dell’efficienza dei motori elettrici del
condensatore e dell’evaporatore (assorbimento elettrico 4,4 W
circa);
- controllo dello sbrinamento;
- miglioramento delle guarnizioni;
- aumento delle superfici di scambio di condensatore e
dell’evaporatore
Inoltre si prevede l’aumento di 2,54 cm di spessore per l’isolante
o l’uso di pannelli con strato sottovuoto
Le macchine, funzionanti secondo un ciclo inverso,
possono essere fatte operare avendo come scopo primario
la cessione di energia termica alla sorgente a temperatura
più alta.
In questo caso esse sono denominate pompe di calore e,
dal momento che l’effetto utile è la fornitura di calore alla
sorgente ad elevata temperatura, il coefficiente di
prestazione viene definito dalla relazione:
q1
q1
COPpompa di calore
Pm
q1 q2
La pompa di calore utilizzo energia termica ad
alta temperatura
Le pompe di calore sono macchine termiche che operano
trasferendo calore da una sorgente fredda ad una calda.
Le macchine presenti sul mercato hanno comunemente campi
di azione tra gli 0 ed i 120 gradi e possono quindi essere
impiegate per il riscaldamento ambiente, per la produzione di
acqua calda sanitaria e per i processi industriali che necessitino
di calore a bassa temperatura.
Tipologia
Acqua – acqua: si riscalda acqua (condensatore) trasferendo
energia termica da altra acqua (evaporatore)
Aria – acqua: si riscalda acqua (condensatore) attingendo calore da
aria (evaporatore)
Acqua – aria: si riscalda aria (condensatore) attingendo calore da
acqua (evaporatore)
Aria – aria: si riscalda aria (condensatore) trasferendo energia
termica da altra aria (evaporatore)
Al posto dell’acqua può essere usata salamoia (brine)
Possono funzionare come macchine frigorifere (reversibilità)
Le macchine, funzionanti secondo un ciclo inverso, possono essere
fatte operare avendo come scopo primario la cessione di energia
termica alla sorgente a temperatura più alta.
In questo caso esse sono denominate pompe di calore e, dal
momento che l’effetto utile è la fornitura di calore alla sorgente ad
elevata temperatura, il coefficiente di prestazione viene definito dalla
relazione:
q1
q1
COPpompa di calore
Pm
q1 q2
Nel caso di macchina reversibile, si definisce per il
funzionamento in raffrescamento il parametro: efficienza
energetica (EER) come rapporto q2/Pm
Pompe di calore ad
acqua
Sistemi impiantistici: a terreno
Caratteristiche
Temperatura media del terreno (8-10°C)
Pompa di calore (COP ≈ 3 -4)
Sonda a terreno (anche 100 m)
