Che cos'è il ciclo di refrigerazione e come viene definito?

Evelyn Maitée Marin
Ingegnere Industriale, Master in Fisica e EdD

Un ciclo di refrigerazione si riferisce al processo termodinamico ripetitivo in cui una sostanza viene utilizzata come refrigerante cambia fase attraverso un circuito e la sua funzione è quella di assorbire calore da uno spazio da condizionare per rilasciare calore in un altro regione. A differenza di altri cicli termodinamici come l'alimentazione, nei sistemi utilizzati per la refrigerazione, lo scopo non lo è ottenere energia per la vendita o il consumo, ma piuttosto il condizionamento termico di un ambiente, ad esempio a camera.

Con uno schema di funzionamento simile a quello dei cicli frigoriferi, esistono le pompe di calore, che, a differenza dell'aria Condizionati, servono per riscaldare un ambiente, cioè per estrarre calore dall'ambiente esterno per rilasciarlo all'interno del locale desiderato condizione.

Da un punto di vista teorico, i cicli di refrigerazione possono essere studiati considerando i componenti che compongono il sistema così come le varie fasi attraverso le quali passa il refrigerante nei diversi stati. Il grafico seguente mostra la classificazione degli impianti di refrigerazione:

Tipi di impianti di refrigerazione

Componenti fondamentali di un ciclo frigorifero

Secondo il secondo legge del Termodinamica, il flusso di calore avviene spontaneamente sempre da una regione maggiore temperatura a una temperatura inferiore, e in caso contrario, è necessario un dispositivo o un meccanismo per eseguire il processo di refrigerazione. Per fare ciò, qualsiasi sistema di refrigerazione richiede almeno quattro componenti:

• Compressore: è un dispositivo preposto ad aumentare la pressione del refrigerante una volta evaporato. In condizioni ideali, il processo di compressione è a entropia costante, anche se in pratica si verifica un aumento di entropia.

• Evaporatore: questo sistema è fondamentalmente uno scambiatore di calore attraverso il quale circola il refrigerante assorbire calore dall'ambiente da condizionare e, di conseguenza, la miscela passa allo stato di vapore.

• Valvola di espansione: chiamata anche tubo capillare o espansore. In condizioni ideali, questo dispositivo opera isentalpico (at entalpia costante) e la sua funzione è quella di diminuire la pressione del refrigerante nella zona di miscelazione.

• Condensatore: è formato da una serpentina attraverso la quale passa il refrigerante allo stato di vapore, a pressione e temperatura superiori alle condizioni nell'evaporatore. Durante il passaggio attraverso il condensatore, il refrigerante cede calore all'ambiente esterno e condensa fino a diventare liquido. Idealmente, il processo di condensazione si verifica a pressione costante, anche se in realtà si manifestano solitamente cadute di pressione.

Componenti di base di un frigorifero

Coefficiente di prestazione (COP)

Come già detto, per estrarre calore da un ambiente (freddo) e far sì che le fasi di cambio refrigerante in un processo ciclico, occorrono dispositivi che funzionino consumando energia (elettrico o carburante), e questo rappresenta un costo, che si dovrebbe cercare di minimizzare, massimizzando la funzione che ci si aspetta da loro all'interno del ciclo.

Nei cicli di potenza, le prestazioni termiche o elettriche sono generalmente determinate dall'efficienza del ciclo o sue componenti e, come tale, questo valore dovrebbe sempre essere compreso tra 0 e 1 (in termini percentuali sarebbe compreso tra 0 e 100 %). Tuttavia, nei cicli di refrigerazione, il più comune è analizzare le sue prestazioni utilizzando come parametro di riferimento il coefficiente di prestazione, abbreviato dal suo acronimo in inglese COP (coefficiente di prestazione), il cui valore è quasi sempre maggiore dell'unità, è sempre positivo, ed è determinato dal seguente espressione:

Ciclo frigorifero ideale a compressione di vapore

Al fine di massimizzare il coefficiente di prestazione dei cicli di refrigerazione, sono stati progettati diversi metodi, il più La più semplice di queste è la refrigerazione a compressione di vapore, che è formata da quattro stati mostrati di seguito Immagine):

• Un processo di compressione isoentropico nel compressore (stati 1 – 2),

• Un processo di espulsione del calore a pressione costante nel condensatore (stati 2 – 3),

• Un processo di espansione isentalpico nella valvola di espansione (stati 3 – 4),

• Un processo di assorbimento del calore nell'evaporatore a pressione costante (stati 4 – 1).

Lo schema seguente mostra a diagramma di temperatura (T) vs entropia (s) dove sono indicati i diversi stati attraverso i quali passa il refrigerante durante il suo passaggio attraverso i componenti del sistema per completare il ciclo di refrigerazione per compressione di vapore:

Q_l è il calore assorbito dallo spazio condizionato, Q_H è il calore respinto verso l'esterno e W_comp rappresenta il lavoro del compressore.

Come descritto, il fluido di lavoro nei cicli di refrigerazione è il refrigerante, e sul mercato ne esiste un'ampia varietà. I refrigeranti si sono evoluti e attualmente la tendenza è quella di optare per quelli meno inquinanti, atossici e che abbiano le caratteristiche richieste nell'impianto da installare.

Alcuni dei tipi di refrigeranti più comunemente usati

Questo gruppo di refrigeranti costituisce il 90% dei refrigeranti utilizzati negli Stati Uniti.