Frigorifero

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Elaborato il 25/02/2003 alle ore 9.54 ,
salvato il 16/02/03 11.23
Creato il 14/02/2003 6.59
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stampato il 25/02/2003 9.54
Andrea Zucchini
Web: http://digilander.iol.it/profzucchini
Frigorifero
CICLO FRIGORIFERO-TEORIA
Frigorifero: dispositivo a funzionamento ciclico composto da: (Fig. 1)
•
un insieme di sorgenti di calore ad alta temperatura, Ti,
•
un insieme di sorgenti a più bassa temperatura, Ti’
•
un fluido operatore, detto anche sostanza termodinamica, S.
Il calore, QF, viene estratto, grazie al lavoro esterno, dalle sorgenti a
temperatura più bassa per essere ceduto al fluido di lavoro, e da
questo alle sorgenti più calde. Al termine di ciascun processo
ciclico il fluido ritorna nelle condizioni iniziali, per cui la sua
variazione di energia interna ∆ U è nulla. Per il primo principio
della termodinamica
L = Q + ∆U
dove L è il lavoro eseguito sul fluido in un ciclo e Q rappresenta il
calore scambiato in un ciclo al termine di ciascun ciclo; la
variazione di energia interna ∆U del fluido è nulla,per cui L = Q. Considerando i segni del lavoro e del calore
scambiati dal fluido, indicando con:
lavoro eseguito sul fluido in un ciclo: -L
Calore assorbito in un ciclo dalle sorgenti fredde : +QF
Calore ceduto in un ciclo alle sorgenti calde : - QC
si ha:
L=Q
⇒
-L= - QC+QF
da cui si ricava:
L= QC-QF
Fig. 1 Schema di principio di un frigorifero (L, QC, QF rappresentano i valori assoluti del lavoro e dei calori
scambiati in un ciascun ciclo)
Coefficiente di prestazione
L'efficienza di una qualsiasi azione viene valutata confrontando il risultato conseguito al costo dell'azione:
Il risultato termodinamico che si consegue con un frigorifero consiste nel trasferimento di calore, QC, dalle
sorgenti fredde a quelle calde. Il costo di funzionamento è dato dal lavoro fornito dall’esterno, L. Si definisce
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efficienza di un frigorifero, detta anche coefficiente di prestazione (COP), il rapporto fra il modulo del calore
asportato dalle sorgenti fredde sul modulo del lavoro eseguito dall'esterno.
Il coefficiente di prestazione, a differenza del rendimento termico può assumere anche valori maggiori di 1.
In Fig. 2 è riportato lo schema di principio di un frigorifero utilizzante due sole sorgenti.
Fig. 2 Schema di un frigorifero utilizzante due sole
sorgenti di calore (L, QC, QF rappresentano i valori
assoluti del lavoro e dei calori scambiati in ciascun
ciclo).
Un esempio di frigorifero a due sorgento è il frigorifero di Carnot (Si tratta di un frigorifero ideale, all'epoca
Carnot non poteva possedere alcun frigorifero!)
Frigorifero di Carnot
ε = coefficiente
di prestazione
Considerando
che in un ciclo
di Carnot:
si trova:
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A parità di TF, ε è tanto maggiore quanto minore è lo
scarto fra TC e TF. Osserviamo inoltre che, dividendo
per TF:
per cui, per TC > TF ε > 1 . ε inoltre assume valori
molto elevati per TC ≈ TF . Infine, come si può
osservare dal grafico, il costo di esercizio di un
frigorifero è tanto maggiore per TF → 0.
Funzionamento di un frigorifero
Il principio di funzionamento di un frigorifero si basa sul fenomeno
dell’espansione Joule-Thomson di un fluido: il fluido,
nell’attraversare una strozzatura, si raffredda. Il dispositivo
delegato a questo scopo è la cosiddetta valvola di espansione (Fig.
1).
Il fluido operatore, detto anche refrigerante, entra nella valvola di
espansione ad una pressione che , per esempio può essere di 8 atm
(808 kPa), realizzata grazie ad un compressore elettromeccanico, e
ne fuoriesce ad una pressione di poco superiore a quella
atmosferica (120 kPa).
Nell’espansione il gas si raffredda; la sua temperatura può passare,
per esempio, da circa 30 °C a -25 °C.
Il fluido freddo entra nell’evaporatore, una serpentina fredda
disposta all’interno del frigorifero, dove evapora assorbendo calore
dal sistema da raffreddare.
Successivamente raggiunge l’ingresso a bassa pressione del
compressore. In uscita dal compressore la pressione e la temperatura del fluido crescono.
Il fluido caldo attraversa il condensatore, la serpentina calda disposta sulla parete posteriore del frigorifero, e
disperde calore nell’ambiente pre-raffreddandosi prima di rientrare nella valvola di espansione.
Fig. 2.1 Schema parti costituenti un frigorifero
domestico
Fig. 2.2 Schema parti costituenti un frigorifero
domestico
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V = valvola d'espansione
C = condensatore
E = evaporatore
P = compressore
L = lavoro meccanico del compressore
L = Qs - Q1
Qs = calore ceduto dal condensatore
Q1 = calore sottratto nell'evaporatore
P = potenza = m L
Ove m è la massa del fluido di lavoro ed L è il lavoro fornito nel ciclo.
1° fase: Espansione.
Il liquido, alla temperatura di 30 gradi e ad alta pressione, fuoriesce dalla valvola di espansione e va nella
serpentina ove si espande immediatamente e diminuisce di pressione e di temperatura.
2° fase: Evaporazione.
Dopo l'espansione il liquido refrigerante ha modificato il suo equilibrio pressione-temperatura preesistente,
0essendo ora la sua pressione troppo bassa per la temperatura; deve quindi produrre più gas per aumentare la
pressione e ristabilire l'equilibrio; ma l'evaporazione richiede la somministrazione di calore che viene prelevato
dall'ambiente intorno la serpentina; la temperatura dell'ambiente diminuisce per conseguenza.
Il liquido cambia il suo stato in gas, ma la pressione non aumenta perché c'è il compressore che continua a
pompare il gas dal circuito bassa pressione (serpentina) a quello ad alta pressione (condensatore). Il calore
ceduto dall'ambiente al gas per l'evaporazione, segue il liquido nel circuito alta pressione e va nel condensatore.
3° fase: Compressione.
Questa fase è necessaria proprio per fare transitare il calore raccolto (ceduto) dall'ambiente nel circuito alta
pressione, e questo calore non può essere ceduto se non ad altro ambiente a temperatura più bassa. Quando tutto
il liquido espanso nella serpentina sarà passato al di là del compressore (nel circuito alta pressione)
trasportandosi seco tutto il calore sottratto all'ambiente, la valvola di espansione si chiude e nel circuito alta
pressione aumenta sia la pressione sia la temperatura.
4° fase: Condensazione.
Il liquido refrigerante, ad alta pressione (e quindi tutto gassificato) e ad alta pressione viene spinto nel
condensatore ove per mezzo di un getto di acqua oppure di aria, viene raffreddato. (Si usa l'aria per i piccoli
frigoriferi domestici, l'acqua nei grandi frigoriferi industriali). Il gas, che era in equilibrio ad alta temperatura e
ad alta pressione ,viene ora a trovarsi ad alta pressione e ad bassa temperatura; deve perciò modificare il suo
stato ridiventando liquido e diminuendo la sua pressione. Il calore che viene ceduto all'acqua o all'aria del
condensatore è uguale a quello sottratto all'ambiente dalla serpentina.
Dopo la condensazione il liquido cade liberamente nel serbatoio e si accinge a ritornare nella valvola di
espansione per ricominciare il ciclo.
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Refrigeranti
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Effetto frigorifero
Temperatura
solidificazione
Temperatura critica
Pressione critica
assoluta
kJ/kg°K
°C
°C
MPa
Ammoniaca
1102,6
- 77,9
132,4
11,3
Freon 11
157,2
- 111
198
4,37
Freon 12
116,3
- 155
112
4,21
Freon 22
162,5
- 160
96
4,93
Un buon fluido frigorigeno deve avere:
Bassa temperatura di solidificazione;
Elevato effetto frigorigeno;
Composizione chimica stabile;
Assenza di caratteristiche tossiche;
Temperatura critica >> temperatura di condensazione nel ciclo.
Per diminuire l'emissione di gas nocivi nell'atmosfera e la quantità di CO2, alcuni gas per sistemi refrigeranti
sono stati dichiarati banditi o soggetti a restrizioni e sono stati individuati nella legge 549 del 1° gennaio
1994,come ad esempio gli idrocarburi alogenati Cfc e quelli parzialmente alogenati Hcfc.
Bibliografia: il materiale presentato è stato prodotto all’ UNIVERSITÀ DI TRENTO FACOLTA' DI
SCIENZE-Fisica1 e dalla CONFARTIGIANATO
5/5