Ciclo frigorifero

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Rappresentazione di un ciclo frigorifero.

Un ciclo frigorifero è un ciclo termodinamico in grado di trasferire calore da un ambiente a bassa temperatura ad uno a temperatura superiore.

La macchina che compie un ciclo frigorifero può essere interpretata, e utilizzata:

  • come macchina frigorifera, con lo scopo di sottrarre calore da un ambiente esterno, raffreddandolo, rispetto alle sue condizioni naturali, (questo effetto è quindi utilizzato nei frigoriferi).

In ambedue gli utilizzi, occorre erogare un lavoro per far funzionare il ciclo, e sottrarre calore dal punto caldo del ciclo verso l'ambiente esterno; infatti una buona parte dell'energia erogata è comunque dispersa sotto forma di calore.

Ciclo a compressione o di Kelvin[modifica | modifica sorgente]

Rappresentazione in un diagramma T-S di un ciclo frigorifero.

Lord Kelvin ideò un ciclo termodinamico in cui si applica un lavoro di compressione per far passare un fluido dallo stato gassoso al liquido; la compressione ed il cambiamento di stato producono calore, che è estratto dal ciclo; successivamente il liquido è fatto espandere ed evaporare, sottraendo calore nel cambiamento di stato inverso; il liquido in evaporazione (ed espansione) produce quindi il voluto effetto frigorifero.

Nel ciclo frigorifero a compressione è essenziale quindi l'impiego di un fluido di ciclo, che sia nelle condizioni di condensare ed evaporare ciclicamente: è quindi importante la scelta del tipo di fluido per conciliare la temperatura del corpo freddo con quella della sorgente calda. Tra i primi fluidi di ciclo vi è stata l'ammoniaca, che ha il vantaggio di avere un calore latente particolarmente alto, ma è corrosiva e tossica; dal 1931 per molti anni sono stati utilizzati alcuni alogenuri alchilici, detti commercialmente Freon (marchio registrato dalla E. I. du Pont de Nemours and Company), recentemente (1990) proibiti dal protocollo di Montreal. Oggi si cerca di usare fluidi meno inquinanti tipo HFC, e HFE.

Ciclo ad assorbimento[modifica | modifica sorgente]

Oltre al ciclo frigorifero a compressione, ha impiego diffuso nelle industrie il ciclo frigorifero ad assorbimento, in cui si sfrutta il calore di dissoluzione di un soluto in un solvente che viene ciclicamente concentrato e diluito. Il ciclo ad assorbimento non ha particolare efficienza ma consente il raggiungimento di temperature particolarmente basse, fino a -60 °C con ammoniaca come refrigerante e acqua come assorbente; è molto impiegato nei casi in cui si disponga di recuperi termici industriali o recuperi termici da cogenerazione (cogenerazione) o in mancanza di energia elettrica necessaria all'azionamento del compressore per il ciclo a compressione di vapore. Si utilizzano come solvente l'acqua e soluto l'ammoniaca, che è il gas frigorigeno, oppure come solvente l'acqua e come soluto il bromuro di litio, in questo caso il gas frigorigeno è il vapor d'acqua. Malgrado la relativa complicazione, il ciclo frigorifero ad assorbimento è stato ideato prima di quello a compressione, e si deve a Ferdinand Carrè.

Ciclo di Stirling[modifica | modifica sorgente]

Il ciclo di Stirling è realizzato mediante l'instaurarsi ed il mantenimento in condizioni stabili di una oscillazione ciclica del fluido di ciclo, in modo che, in una regione definita dell'apparato che genera il ciclo, il fluido sia in espansione e quindi raffreddato, ed un'altra sia in compressione e quindi riscaldato; la parte calda produce calore, e quella fredda invece sottrae calore dall'ambiente esterno, ottenendo così l'effetto frigorifero.

Il ciclo è così nominato dato che è realizzato col funzionamento invertito, come "macchina frigorifera", del ciclo Stirling, che nell'occasione è detta "macchina frigorifera Stirling".

Il ciclo frigorifero Stirling, pur essendo meno noto per l'uso corrente, ha una importantissima caratteristica: non è legato ad alcun cambiamento di stato del fluido di ciclo. Invece gli altri cicli sono legati (e limitati) a precise gamme di temperature operative, e tale limite è dato appunto dal tipo di fluido che è usato, i funzionamenti ottimali si hanno a temperature prossime a quelle di evaporazione (o soluzione) dei fluidi di ciclo.

Il ciclo Stirling è invece efficiente in egual misura a tutte le temperature ed utilizza sempre lo stesso fluido di ciclo, anzi il tipo di fluido di ciclo non è particolarmente vincolante (purché sia gassoso alle temperature operative), per temperature molto basse può essere elio o idrogeno. Il ciclo può essere spinto alle minime temperature, e può essere utilizzato a produrre fluidi esterni (gas liquefatti) fino quasi allo zero assoluto. Il ciclo Stirling è quindi l'unico adatto a raggiungere temperature molto basse.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]