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In questo articolo andiamo a parlare di come l'impianto di climatizzazione dell'auto, e il refrigerante che circola nel suo interno, mantengono fresco l'abitacolo della nostra autovettura. Più precisamente scenderemo nei dettagli delle leggi fisiche che regolano questo processo, e scopriremo che coincide con quello che ci permette di mantenere freschi i cibi all'interno il nostro frigorifero.
CICLO FRIGORIFERO
A differenza dei cicli diretti, il ciclo inverso è un ciclo percorso in senso antiorario, la sua area nel piano pv (pressione - volume), rappresenta in tal caso un lavoro negativo fatto cioè dall’esterno sulla massa del fluido, mentre nel piano TS (temperatura - entropia), diagramma entropico, rappresenta una quantità negativa di calore; il calore, viene, quindi, trasmesso dal sistema all’esterno.
Il ciclo inverso più comune, è il ciclo frigorifero, dove viene fornito del lavoro al sistema per sottrarre calore verso l’esterno.
Si tratta, dunque, di una macchina che invece di produrre, assorbe lavoro. Questa macchina, che viene chiamata pompa di calore, preleva una quantità di calore qi da una sorgente termica a temperatura inferiore Ti; cedendo del calore qs ad una sorgente a temperatura superiore Ts.
Il lavoro meccanico (l) immesso nel sistema, viene usato per trasferire energia, sotto forma di calore, da una zona a bassa temperatura verso una zona ad alta temperatura; in analogia ad una pompa che sposta acqua da un punto a bassa quota, verso un punto ad alta quota.
La distinzione tra le due locuzioni "impianto frigorifero" e "pompa di calore" non esiste nel concreto, perché tutti e due gli apparati eseguono lo stesso processo. La differenza sta nello scopo.
Se lo scopo è quello di mantenere la temperatura di un sistema al di sotto di quella dell'ambiente; dovendo quindi, estrarre una quantità di calore da un ambiente che si trova già a bassa temperatura, allora si avrebbe un impianto frigorifero.
Se invece, la finalità del ciclo è quello di cedere calore ad un ambiente, estraendolo da un altro ambiente più freddo, si ha la pompa di calore.
Un ciclo inverso, viene realizzato collegando tra loro, in un circuito chiuso, lungo il quale circola il fluido di lavoro, quattro elementi fondamentali:
1) un compressore
2) un condensatore
3) un evaporatore
4) una valvola di espansione
La presenza di alcuni elementi può essere giustificata se pensiamo che un generico liquido:
assorbe calore quando evapora
rilascia calore quando condensa.
Il fluido refrigerante deve però avere la proprietà di condensare anche a temperatura ambiente e a pressioni relativamente basse. Fino a qualche tempo fa si usava il freon (dicloro-difluorurometano R12) poi si è scoperto che questa sostanza perforava l'ozonosfera terrestre, così si è passati ad usare sostanze meno dannose.
In ogni caso le caratteristiche di un buon fluido frigorifero dovrebbero essere le seguenti:
temperatura critica elevata molto maggiore della temperatura di condensazione che si verifica nel ciclo;
bassa temperatura di solidificazione per non solidificare durante la regolare marcia di funzionamento;
calore di vaporizzazione molto elevato in modo da realizzare un elevato effetto frigorigeno qi (calore asportato dalla sorgente fredda);
composizione chimica stabile;
assenza di caratteristiche tossiche o infiammabili.
Qui sotto è disegnato un ciclo frigorifero sul piano TS, (in rosso il ciclo ideale)
Fase 1-> 2: Il vapore saturo a bassa pressione entra nel compressore e subisce una compressione adiabatica reversibile (compressione isoentropica). Il compressore comprime, dunque il vapore fino a farlo diventare liquido.
Fase 2->3: Il calore qs viene ceduto all'ambiente alla temperatura superiore, in un processo di condensazione a pressione costante attraverso uno scambiatore di calore: il condensatore, da cui il fluido di lavoro esce come liquido saturo.
Fase 3->4: Si ha il passaggio attraverso la valvola di espansione, nella quale il fluido passa dalla pressione più alta alla pressione più bassa, diminuendo contemporaneamente la propria temperatura e conservando l'entalpia che aveva inizialente (espansione isoentalpica). Il liquido, non essendo più compresso è tornato allo stato di vapore.
Fase 4->1: Il calore qi viene ricevuto dal sistema a temperatura inferiore in un processo di evaporazione a pressione costante attraverso uno scambiatore di calore: l'evaporatore, in questo modo si chiude il ciclo.
Si tratta praticamente di un ciclo Rankine eseguito al contrario, con la valvola di espansione che sostituisce la pompa del liquido.
La rappresentazione dei cicli inversi avviene di solito sul diagramma p-h (pressione-entalpia) che si presta meglio rispetto al diagramma entropico T-S o al diagramma h-s (di Mollier) a descrivere il tracciato delle isobare.
Le prestazioni di un apparato frigorifero possono essere valutate attraverso il coefficiente di effetto frigorigeno ß (beta):
dove qi è chiamato effetto frigorigeno e rappresenta il calore massico [J/kg] sottratto alla sorgente a temperatura inferiore dall'evaporatore e viene espresso come:
(l) è il lavoro specifico [J/kg] impiegato nel processo e corrisponde al lavoro fornito dal compressore che, a sua volta, può essere espresso come:
ne conseguirà:
Se la macchina è utilizzata come pompa di calore il parametro caratteristico da valutare è invece il coefficiente di effetto ßp dato dal rapporto tra la quantità di calore qs trasferita alla sorgente a temperatura più alta e il lavoro speso.
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