Frigorifero CICLO FRIGORIFERO-TEORIA Frigorifero: dispositivo a funzionamento ciclico composto da: (Fig. 1) un insieme di sorgenti di calore ad alta temperatura, T i, un insieme di sorgenti a più bassa temperatura, T i un fluido operatore, detto anche sostanza termodinamica, S. Il calore, Q F, 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 : + Q F Calore ceduto in un ciclo alle sorgenti calde : - Q C si ha: da cui si ricava: L = Q - L = - Q C + Q F L = Q C - Q F Fig. 1 Schema di principio di un frigorifero (L, Q C, Q F 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, Q C, dalle sorgenti fredde a quelle calde. Il costo di funzionamento è dato dal lavoro fornito dall esterno, L. Si definisce 1/5
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, Q C, Q F 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: 2/5
A parità di T F, ε è tanto maggiore quanto minore è lo scarto fra T C e T F. Osserviamo inoltre che, dividendo per T F : per cui, per T C > 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 T F 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 3/5
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. 4/5
Refrigeranti 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