Refrigerazione

Obiettivi → Stabilizzazione e solidificazione (cristallizzazione/vetrificazione).

La refrigerazione consente di preservare la qualità degli alimenti

(organolettica, nutrizionale e sicurezza) per diversi giorni, andandone a

rallentare i fenomeni di decadimento; infatti le basse temperature di

refrigerazione causano una riduzione della velocità di crescita microbica

(patogeni e alterativi) e delle reazioni enzimatiche che possono avvenire

normalmente all’interno dello stesso. Il congelamento consente di preservare

la qualità degli alimenti (organolettica, nutrizionale e sicurezza) per diversi

mesi, andandone a inibire i fenomeni di deperimento; infatti le basse

temperature di congelamento vanno a bloccare la crescita microbica (patogeni

e alterativi) e le reazioni enzimatiche che possono avvenire normalmente

all’interno dello stesso. Rispetto alla refrigerazione, il congelamento presenta

un vantaggio e uno svantaggio: se da un lato inibisce totalmente la crescita

microbica e l’attività degli enzimi presenti nell’alimento (maggiore shelf-life),

dall’altra porta alla formazione di macrocristalli di ghiaccio che possono

provocare la rottura delle strutture cellulari e quindi una perdita di liquidi

organici con conseguente peggioramento della qualità dell’alimento dal punto

di vista nutrizionale (perdita di nutrienti) e sensoriale (perdita di struttura e

sapore). Attualmente il metodo di conservazione più sicuro risulta essere il

surgelamento che consiste nel congelare rapidamente l’alimento fino a

raggiungere una temperatura a cuore del prodotto pari o inferiore a -18°C. Ciò

conferisce il beneficio del congelamento, cioè l’arresto totale dello sviluppo

microbico e dell’attività enzimatica e allo stesso tempo permette il

mantenimento ottimale della qualità organolettica e nutrizionale dell’alimento

in quanto il rapido congelamento consente la formazione di microcristalli che

non vanno a danneggiare le strutture cellulari dell’alimento.

1. MACCHINA FRIGORIFERA A COMPRESSIONE DI VAPORE

Il processo di raffreddamento avviene grazie all’impiego di sistemi di

refrigerazione meccanica. Un sistema di refrigerazione meccanica è una

macchina che, utilizzando una potenza meccanica (P), assorbe una potenza

termica (q) da una sorgente a bassa temperatura e cede la potenza termica

(q+P) a una sorgente ad alta temperatura. Il trasferimento di calore avviene

per mezzo di un refrigerante (o fluido frigogeno) che assorbendo calore

cambia stato da liquido a vapore. Il fluido frigorigeno assorbe quindi energia

termica dalla sorgente a bassa temperatura ed energia meccanica dal

compressore e la trasferisce, tutta sotto forma di energia termica, alla sorgente

ad alta temperatura. I refrigeranti utilizzati hanno un punto di ebollizione più

basso di quello dell’acqua, ad esempio l’ammoniaca, refrigerante

comunemente utilizzato, ha un punto di ebollizione pari a -33°C (come per

l’acqua, l’ammoniaca necessita di calore latente per cambiare il suo stato, da

liquido a gas, al rispettivo punto di ebollizione. Va ricordato che il punto di

ebollizione cambia in funzione della pressione atmosferica: all’aumentare della

pressione aumenta il punto di ebollizione). Poichè I refrigeranti sono costosi,

questi devono poter essere riutilizzati, motivo per cui la macchina frigorifera

deve permettere la raccolta del refrigerante allo stato gassoso e la sua

riconversione allo stato liquido in modo da poter essere reimpiegato

ripetutamente. Ciò è possible grazie all’utilizzo di macchine frigorifere a

compressione di vapore all’interno delle quali il refrigerante circola in un

circuito chiuso costituito da: compressore, condensatore, valvola di

espansione (o laminazione) e evaporatore e passando dallo stato liquido a

gassoso per poi ritornare nuovamente allo stato liquido e ripetere così il ciclo.

VALVOLA DI ESPANSIONE: la valvola di espansione è una valvola di

regolazione che controlla il flusso del refrigerante e può essere azionata sia

manualmente che da sensori di pressione e temperatura. Essa separa la

regione del sistema ad alta pressione da quella a bassa pressione. Nel PUNTO

D, appena prima di entrare nella valvola di espansione, il refrigerante è un

liquido saturo o liquido sottoraffreddato e si trova alla sua temperatura di

condensazione o a una temperatura più bassa. Dopo il passaggio attraverso la

valvola di espansione, il refrigerante subisce una brusca caduta di pressione

accompagnata da una riduzione della temperatura. A causa della riduzione di

pressione, una parte del refrigerante liquido diventa gas (fenomeno chiamato

FLASHING). La miscela liquido-vapore che esce dalla valvola di espansione

si chiama “flash gas”.

EVAPORATORE: nel PUNTO E la miscela liquido-vapore entra

nell’evaporatore. L’evaporatore è uno scambiatore di calore all’interno del

quale il refrigerante evapora completamente sottraendo calore alla sorgente a

bassa temperatura. All’uscita dell’evaporatore il refrigerante si troverà

sottoforma di vapore saturo secco o vapore surriscaldato se vi è un

incremento di calore derivante dall’ambiente.

Il trasferimento di calore è favorito dal gradiente di temperatura: T

fluido < T alimento. Sorgente a bassa temperatura: prodotto alimentare,

aria (che a sua volta raffredda l’alimento), acqua (che a sua volta raffredda

l’alimento).

COMPRESSORE: nel PUNTO A i vapori saturi secchi o vapori

surriscaldati raggiungono il compressore, il quale fornisce potenza meccanica

al refrigerante attraverso una compressione a una pressione elevata

accompagnata da un innalzamento della temperatura, per cui all’uscita del

compressore, nel PUNTO B, il refrigerante si troverà sottoforma di vapore

surriscaldato.

CONDENSATORE: i vapori surriscaldati sono poi convogliati al

condensatore, nel PUNTO C. Il condensatore è uno scambiatore di calore

all’interno dal quale il fluido frigorigeno condensa e cede calore alla sorgente

ad alta temperatura, ritornando cosi allo stato liquido. Dopo che tutta la

condensa si è convertita in liquido saturo, la temperatura del refrigerante può

abbassarsi al di sotto della sua temperatura di condensazione grazie al calore

addizionale che viene ceduto all’ambiente circostante e può essere quindi

sottoraffreddato. Il liquido sottoraffreddato o liquido saturo entra poi nella

valvola di espansione, nel PUNTO D, e il ciclo si ripete.

Il trasferimento di calore è favorito dal gradiente di temperatura: T

fluido > T ambiente. Sorgente ad alta temperatura: aria dell’ambiente esterno,

acqua (che a sua volta riscalda l’ambiente esterno).

2. TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE DEL FLUIDO

FRIGOGENO

Ora andiamo a rappresentare tutto il ciclo di refrigerazione, e quindi tutte le

trasformazioni termodinamiche a cui è sottoposto il refrigerante passando da

un componente all’altro della macchina frigorifera a compressione di vapore,

sul diagramma pressione/entalpia.

EVAPORAZIONE = tratto EA: il refrigerante, sottoforma di miscela liquido-

vapore, entra nell’evaporarore nel PUNTO E. All’interno dell’evaporatore il

refrigerante evapora sottraendo calore alla sorgente a bassa temperatura, si

converte in vapore saturo secco ed esce dall’evaporatore in corrispondenza del

PUNTO A. Graficamente ci siamo spostati lungo un’isobara o un’isoterma

poichè l’evaporazione è una trasformazione che avviene a pressione e

temperaura costante. La proprietà che cambia è l’entalpia e che aumenta.

COMPRESSIONE = tratto AB: Il vapore saturo secco presente nel PUNTO A

entra all’interno del compressore. Il compressore fornisce potenza meccanica al

refrigerante attraverso una compressione a una pressione elevata

accompagnata da un innalzamento della temperatura, per cui all’uscita del

compressore, nel PUNTO B, il refrigerante si troverà sottoforma di vapore

surriscaldato. Graficamente ci siamo spostati lungo un’isoentropica poichè la

compressione è una trasformazione che avviene a entropia costante. Le

propietà che cambiano sono la pressione, l’entalpia e la temperatura che

aumentano e il volume specifico che diminuisce.

CONDENSAZIONE = tratto BC e CD: il vapore surriscaldato presente nel

PUNTO B entra all’interno del condensatore. Nel condensatore condensa

cedendo calore alla sorgente ad alta temperatura, si converte in liquido saturo

ed esce dal condensatore in corrispondenza del PUNTO D. Più in particolare,

inizialmente, nel condensatore, il calore sensibile viene rimosso nella sezione di

desurriscaldamento (tratto BC) e poi viene rimosso anche il calore latente

(tratto CD). Graficamente ci siamo spostati lungo un isobara dal punto B al

punto D, poiché la condensazione è una trasformazione che avviene a

pressione costante, solo che nel tratto BC la temperatura diminuisce, mentre

nel tratto CD, oltre alla pressione, anche la temperatura è costante (nel tratto

CD l’isobara coincide con l’isoterma). La proprietà che cambia è l’entalpia che

diminuisce.

VALVOLA DI ESPANSIONE = TRATTO DE: il liquido saturo presente nel

PUNTO D entra all’interno della valvola di espansione. Durante il passaggio

attraverso la valvola di espansione, il refrigerante subisce una brusca caduta di

pressione accompagnata da una riduzione della temperatura ed una parte di

esso diventa gas (fenomeno chiamato FLASHING). La miscela liquido-vapore

(detta flash gas) esce dalla valvola di espansione in corrispondenza del

PUNTO E. Graficamente ci siamo spostati lungo un isoentalpica poichè

l’espansione è una trasformazione che avviene a entalpia costante. Le

proprietà che cambiano sono la pressione e la temperatura che diminuiscono e

il volume specifico che aumenta.

Nelle applicazioni reali possono verificarsi variazioni del ciclo ideale appena

descritto. Per esempio, per evitare che un refrigerante allo stato liquido entri

nel compressore, il refrigerante viene convertito completamente allo stato di

vapore saturo all’interno del fascio tubiero dell’evaporatore, prima che

raggiunga l’uscita e, se quel vapore è ancora all’interno del fascio tubiero,

viene addizionato di calore assorbito dall’ambiente che lo circonda, dovuto al

gradiente di temperatura. In questo modo all’uscita dell’evaporatore il

refrigerante si troverà sottoforma di vapore surriscaldato ed in corrispondenza

del PUNTO A’, con una pressione uguale a quella del refrigerante che esce

dall’evaporatore in corrispondenza del punto A del grafico precedente, ma con

un’entalpia e una temperatura minore.

Un’altra va