Al giorno d’oggi le occasioni di utilizzo di un ciclo frigorifero nella nostra quotidianità sono innumerevoli.
Basti pensare alla conservazione dei cibi, ai trasporti refrigerati in campo farmaceutico o alimentare, alle applicazioni in campo estetico e crioterapico, ai processi industriali che necessitano di basse temperature per il raggiungimento del risultato finale, al benessere fisico e ai moderni sistemi di condizionamento dell’aria o alle innumerevoli altre casistiche di impiego.
In questo articolo parliamo di come è nato il ciclo frigorifero, di quale è stata la sua evoluzione nel tempo e dei suoi coefficienti di rendimento in costante aumento grazie ai quali, le macchine termiche che lo impiegano, vengono  considerate sempre più ecocompatibili.
Ormai da qualche tempo, incentivi e detrazioni fiscali di notevole interesse, favoriscono queste soluzioni in un mercato sempre più attento alla salvaguardia ambientale.

Quando, come, perché è stato messo a punto

In effetti, la prima macchina capace di produrre ghiaccio è attribuibile a J. Gorrie il quale, resosi conto del benefico effetto della bassa temperatura nella lotta alla febbre gialla, mise a punto la  Ice Maker Machine e cioè un produttore di ghiaccio che utilizzava la compressione di un gas frigorifero col quale venivano poi aiutati i malati di quella terribile malattia.
La macchina, tuttavia rudimentale e con molti difetti, non convinse i finanziatori necessari a Gorrie per lo sviluppo del suo progetto ed egli morì nel 1855  senza portare a termine il suo progetto.
Il suo lavoro però non risultò invano poiché verso la fine dello stesso secolo, dopo vari tentativi, il fisico Francese J.Tellier dovendo trasportare un consistente carico di carne mediante un lunghissimo viaggio in nave, dalla Argentina all’Europa, ideò ed installò a bordo della  stessa il primo impianto di refrigerazione grazie al quale fu possibile conservare la carne per i 105 giorni del viaggio.
Il passo successivo, con l’avvento della energia elettrica, fu quello dei frigoriferi domestici o Frigidaire che comparvero in America nei primi del ‘900 per iniziare a diffondersi in Europa a metà del XX secolo.
Questi frigoriferi misero fine ai vecchi sistemi di conservazione ottenuta grazie alla salagione o mediante ghiacciaie scavate nel terreno o nella roccia e riempite di ghiaccio, apportando igiene e comodità di utilizzo.
La svolta fu epocale ed in breve, grazie al perfezionamento che ne aumentò le prestazioni ed abbasso i costi,  l’utilizzo del frigorifero che inizialmente era concesso a poche e ricche famiglie, diventò un bene di consumo alla portata di tutti e le case iniziarono ad accogliere un nuovo protagonista : il frigorifero.
Dotato di compartimenti a diversa temperatura e facile da pulire il nuovo elettrodomestico risolveva moltissimi problemi di conservazione alimentare.

Principi di funzionamento e componenti

Spiegare nel dettaglio il funzionamento di un ciclo frigorifero richiederebbe, per la complessità dei temi trattati, un corso di termodinamica e l’approfondimento di concetti di fisica  e chimica che tralasciamo volutamente.
Diamo con questo articolo sul CICLO FRIGORIFERO, solo qualche nozione su come sia possibile produrre freddo o più correttamente sottrarre calore ad un corpo o un fluido.
Infatti quello che avviene durante un ciclo frigorifero è proprio questo : viene sottratto calore ad fluido, in genere acqua o aria, sfruttando questo calore per permettere ad un gas refrigerante di evaporare grazie alle sue caratteristiche chimico-fisiche.
Vediamo quali sono i componenti principali  di un ciclo frigorifero e come questo sia possibile.

Un compressore comprime il vapore di un gas refrigerante, spingendolo ad alta pressione e temperatura in un condensatore.

Cedendo il proprio calore al fluido circostante il gas refrigerante condensa passando dallo stato gassoso allo stato liquido ad alta pressione.

Pensando a un sistema di condizionamento dell’aria, funzionante in raffreddamento, questa fase avviene grazie alla unità esterna di un impianto dove un ventilatore fa passare aria attraverso una batteria di scambio termico all’interno della quale scorre il gas frigorigeno che cambia il proprio stato fisico, passando da vapore a liquido.

Uscendo dal condensatore il gas viene fatto passare attraverso un organo di laminazione (valvola di espansione o capillare), da cui il liquido esce a bassa pressione e quindi predisposto alla sua successiva fase.

A questo punto il liquido a bassa pressione entra in un evaporatore, assorbe il calore al fluido circostante (aria ambiente) abbassandone la temperatura ed evapora dirigendosi nuovamente al compressore per ripetere il ciclo. Pensando ad un sistema di condizionamento dell’aria, funzionante in raffreddamento, questa fase avviene grazie alla unità interna di un impianto dove un ventilatore fa passare aria attraverso una batteria di scambio termico all’interno della quale scorre il gas frigorifero che cambia il proprio stato fisico, passando da liquido a vapore.

In un sistema di condizionamento dell’aria, solitamente il compressore, la batteria di condensazione e l’organo di laminazione, vengono assemblati in quella che conosciamo come unità esterna, mentre la funzione di evaporatore è svolta dalla unità interna posizionata in ambiente, meglio conosciuta come SPLIT.
In un condizionatore funzionante in riscaldamento, il condensatore e l’evaporatore si invertono di ruolo grazie all’intervento di una valvola a 4 vie di inversione di ciclo.
Infatti,  invertendo il flusso circolatorio del gas refrigerante, il nostro split diventerà il condensatore e spingerà aria calda in ambiente mentre la unità esterna, fungerà da evaporatore, ed emetterà aria fredda.

Gas refrigeranti

Chiaramente il gas refrigerante è il componente essenziale di un ciclo frigorifero.
A seconda delle prestazioni che si richiedono al sistema o al contesto in cui il ciclo frigorifero viene impiegato, verrà utilizzato il gas refrigerante opportuno.
Un impiego in settore alimentare sarà diverso da quello per la climatizzazione o per l’industria chimica e così via.
Ciò dipende dalla composizione chimica del gas refrigerante utilizzato, dalla sua infiammabilità, dalle sue caratteristiche fisiche di lavoro, come temperature e pressioni di evaporazione o condensazione e così via.
Negli ultimi decenni, l’attenzione sui problemi ambientali ha individuato i gas refrigeranti come i principali colpevoli della diminuzione dello strato di ozono e quindi del surriscaldamento planetario.
Ciò ha fatto si che i precedenti gas contenenti cloro, i cosiddetti CFC (Cloro Fluoro Carburi) venissero  progressivamente banditi dal commercio, lasciando lo spazio a nuovi refrigeranti come HCFC (idro cloro fluoro carburi) prima e HFC (idro Fluoro Carburi) poi, i quali tuttavia continuano ad avere un certo impatto ambientale.
Per questo motivo sono anch’essi sul banco di accusa ed è già stata programmata la loro dismissione a favore di fluidi refrigeranti ad impatto zero,  verso i quali le case produttrici hanno iniziato ad orientare la propria attenzione.

Le Pompe di Calore

Come abbiamo detto quindi, un ciclo frigorifero come ad esempio quello impiegato in un sistema di condizionamento dell’aria, può  essere utilizzato sia per raffrescare un ambiente, sia per riscaldarlo e per questo viene anche definito pompa di calore reversibile.
Tale possibilità gli è concessa grazie all’utilizzo di una valvola a 4 vie di inversione di ciclo, che molto semplicemente fa si che il ciclo frigorifero venga svolto con il percorso inverso, trasformando quello che in un caso è un condensatore in un evaporatore e viceversa .
In questo modo, l’unità interna che prima sottraeva calore all’aria raffreddando l’ambiente, ora le cede calore, riscaldando.
Molti sistemi di ultima generazione poi, utilizzando il calore ceduto da una unità condensante, sono in grado di produrre ad esempio acqua calda sanitaria contestualmente al funzionamento come condizionatore estivo, utilizzando serbatoi di accumulo e resistenze elettriche integrative importanti anche per gli obbligatori trattamenti anti legionella.
Le pompe di calore non sono solo elettriche, esistono ad esempio anche quelle geotermiche che utilizzano l’acqua delle falde nel sottosuolo, sottraendo loro il calore necessario al ciclo frigorifero.
In questo caso, essendo la falda acquifera ad una temperatura più stabile (circa 15°), le rese della pompa di calore saranno sicuramente più elevate di quelle di un condizionatore in pompa di calore che in inverno funzionerà probabilmente con temperature esterne prossime allo zero e quindi con meno calore disponibile da sottrarre e trasferire all’interno.
Appare  chiaro tuttavia che la valutazione da fare circa i costi di installazione, gioca un ruolo determinante.
Infatti una pompa di calore geotermica, qualora avessimo una falda adatta in prossimità della nostra utenza, presuppone la realizzazione di un pozzo e quindi una installazione più onerosa.

Le nuove tecnologie hanno reso i tradizionali condizionatori macchine con performance di altissimo livello.

Attualmente, le pompe di calore reversibili elettriche, grazie ai coefficienti di rendimento che sono in grado di raggiungere, sono ampiamente utilizzate nella realizzazione di nuove costruzioni edilizie affiancando altri accorgimenti come la VMC (Ventilazione Meccanica Controllata) per il recupero di calore e innovative tecniche di isolamento termico, con l’obiettivo del raggiungimento della miglior classificazione energetica possibile, la CLASSE A.

I rendimenti

I coefficienti di rendimento di un condizionatore residenziale capace di funzionare come pompa di calore, sono individuabili attraverso  dei valori di rapporto tra la potenza termica prodotta espressa in KW termici e la potenza elettrica assorbita per svolgere il proprio lavoro espressa in KW elettrici.
Nel caso di funzionamento in modalità di raffreddamento si parlerà di EER (rapporto di efficienza energetica) mentre nel caso di funzionamento in modalità riscaldamento si parlerà di COP (coefficiente di prestazione). Questi valori sono obbligatoriamente indicati nei cataloghi e nella scheda tecnica di ogni condizionatore d’aria.
Ovviamente, tanto più alti sono questi valori, tanto più efficiente sarà il sistema  e la classe energetica che gli verrà attribuita dagli organismi di certificazione preposti.
Tali rendimenti poi sono definiti su determinate temperature di progetto che sono generalmente i 32°c esterni per il funzionamento estivo e i 7°c esterni per il funzionamento invernale.
In condizioni progettuali, i valori di efficienza energetica raggiunti dai sistemi di condizionamento elettrici, sono altissimi arrivando tranquillamente a valori di EER e COP di 5 e cioè 5 KW di potenza termica prodotta per ogni KW di potenza elettrica assorbita.
Allontanandoci da questi dati progettuali, i valori di efficienza energetica possono variare sensibilmente fino ad incontrare il loro limite di utilizzo, generalmente indicato dalle case produttrici.
E’ molto importante considerare questo aspetto poiché la stessa macchina di potenza pari a 5 kw termici con una temperatura esterna di 32°c, sarà in grado di produrre solo 3,5 kw qualora si trovasse a lavorare con 40°c esterni.
Lo stesso accadrà per una macchina funzionante in riscaldamento qualora dovesse lavorare a 0°c invece dei 7°c progettuali.
Per questo motivo, volendo prevedere una pompa di calore come fonte di riscaldamento primario, sarà necessario sovradimensionare l’installazione per non rischiare di avere freddo o umidità in casa nei periodi climatici più rigidi.
Le alte performance raggiunte da questi sistemi, fanno si che vengano raccomandati ai fini del risparmio energetico e della salvaguardia ambientale; obiettivi ai quali, l’universo industriale, deve prestare sempre più attenzione.

Incentivi e detrazioni fiscali

Da diversi anni i governi che si sono succeduti alla guida del paese, hanno inserito nelle manovre di bilancio inventivi fiscali, sotto forma di detrazioni, per coloro che nell’ambito di una  semplice ristrutturazione o di una riqualificazione energetica, inseriscono tra i lavori eseguiti, l’installazione di un sistema in pompa di calore.
Gli incentivi consentono di usufruire di Iva agevolata al 10%  e di detrazioni fiscali del 50% o del 65 % dell’importo speso indicato in fattura, a seconda che si tratti di una ristrutturazione edilizia o di una riqualificazione energetica, di una nuova installazione o di una sostituzione con nuove pompe di calore più performanti fino ad un importo massimo di 96.000 euro da portare in detrazione in dieci rate annuali.

Insomma, detrazioni per tutti i gusti e esigenze consultabili direttamente sul sito della agenzia delle entrate. Clicca qui

 

 

Il ciclo frigorifero e le sue applicazioni

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