Refrigerazione magnetica

I sistemi di refrigerazione appartengono alla categoria dei sistemi energetici che, anziché produrre lavoro, hanno lo

scopo di rimuovere il calore da un ambiente a temperatura ridotta per trasferirlo a uno a temperatura superiore.

Esistono diverse metodologie per ottenere tale risultato, tra cui:

• L'impiego di lavoro meccanico fornito da uno o più compressori, noto come ciclo frigorifero a compressione.

• L'utilizzo di una fonte di calore ad alta temperatura per innescare una reazione fisico-chimica, definito ciclo

frigorifero ad assorbimento.

Nel paragrafo successivo si illustrerà in maniera concisa sia i sistemi di refrigerazione a compressione che quelli ad

assorbimento, focalizzandosi sulle variabili fisiche rilevanti, sui bilanci energetici e sui processi termodinamici. Questi

ultimi costituiranno inoltre un punto di riferimento essenziale per comprendere le tecnologie impiegate nella

refrigerazione magnetica.

3.1. Gruppi Frigoriferi a compressione

I sistemi di refrigerazione a compressione sono composti da diversi elementi che, lavorando in sinergia, mirano a

stabilire un ciclo termodinamico preciso. Questo permette al refrigerante di passare attraverso specifici stati fisici in

maniera ciclica. È fondamentale, quindi, monitorare attentamente le trasformazioni termodinamiche che il refrigerante

subisce. In questi sistemi, la generazione di freddo avviene attraverso un processo endotermico; il raffreddamento è

assicurato dal passaggio di fase che si verifica durante la vaporizzazione del refrigerante. I sistemi di refrigerazione più

diffusi utilizzano un ciclo termodinamico che prevede la compressione e l'espansione del gas. All'interno dello

scambiatore di calore E, il refrigerante assorbe il calore dall'ambiente che si desidera raffreddare, passando da uno stato

di liquido saturo (punto A) a uno di vapore saturo (punto B), con un titolo inferiore a 1. Il compressore C, azionato dal

motore M, aspira il vapore saturo asciutto (per evitare danni al compressore) dal separatore di liquido S, lo comprime e

lo dirige verso il condensatore K. Qui, il refrigerante cede calore all'acqua di raffreddamento e ritorna allo stato di liquido

saturo (titolo zero). Successivamente, il refrigerante è ulteriormente raffreddato nel passaggio attraverso lo scambiatore

SR e, dopo essere stato laminato dalla valvola di laminazione V , è inviato nuovamente al separatore.

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L'obiettivo principale dello scambiatore di calore di sottoraffreddamento (SR) è incrementare la quantità di calore

estratto dal processo di vaporizzazione. Questo processo consente di ottenere una differenza di entalpia maggiore,

(ℎ )

– ℎ > (ℎ – ℎ ).

ovvero Il trasferimento di calore è reso possibile grazie al fatto che la temperatura di

5 4 5 4′

condensazione del refrigerante è superiore alla temperatura ambiente , che è la destinazione finale del calore

disperso. Inoltre, per garantire l'efficacia del raffreddamento, la temperatura di vaporizzazione del refrigerante deve

essere inferiore a quella dell'ambiente che si intende raffreddare, permettendo così l'assorbimento del calore.

La potenza termica assorbita dall’ambiente da raffreddare ( ) viene definita come:

= ̇ (ℎ − ℎ )

̇ (ℎ − ℎ )

Dove indica la portata in massa del fluido che alimenta il circuito refrigerante mentre esprime la

differenza di entalpia tra l’ingresso e l’uscita dello scambiatore posto nell’ambiente da raffreddare.

Al corpo separatore (), si ha quindi il seguente bilancio:

(ℎ )

̇ − ℎ = ̇ (ℎ − ℎ )

5 4

̇ (ℎ − ℎ )

dove, con viene indicata la portata di fluido che circola all’interno del sistema, mentre con viene indicata

5 4

la differenza di entalpia del fluido tra ingresso e uscita del corpo separatore ().

Di conseguenza la potenza termica assorbita può essere scritta anche come:

= ̇ (ℎ − ℎ )

5 4

La potenza complessiva spesa dal compressore ( ) risulta invece:

(ℎ )

̇ − ℎ

1 5

=

dove , viene definito come il rendimento meccanico del compressore. Il coefficiente di effetto frigorifero

(Energy Efficiency Ratio) è dato dall’espressione:

=

Se si definisce il rendimento isoentropico del compressore ( ) come:

(ℎ )

− ℎ

1 5

=

(ℎ )

− ℎ

1 5

ℎ

dove con viene indicato il valore di entalpia che il fluido acquisisce se la compressione avviene senza irreversibilità.

1

10

Si può dunque riscrivere l’ (Energy Efficiency Ratio) come di seguito:

(ℎ ) (ℎ )

̇ − ℎ − ℎ

5 4 5 4

= = = > 1

(ℎ )

̇ − ℎ (ℎ )

− ℎ

1 5

1 5

Inoltre, è opportuno calcolare anche la portata di acqua che deve essere utilizzata per condensare il fluido refrigerante

nello scambiatore di calore (K). È quindi necessario scrivere un nuovo bilancio energetico:

( ) (ℎ )

̇ − =

̇ − ℎ

1 3

2 ( )

−

dove indica il calore specifico a pressione costante e indica il salto termico che subisce l’acqua tra la sezione

di ingresso e quella di uscita del condensatore (K).

3.2. Gruppi Frigoriferi ad assorbimento

Il progresso tecnologico nel campo dei sistemi energetici cogenerativi ha ravvivato l'interesse per le macchine frigorifere

ad assorbimento, particolarmente nel settore industriale. Questi sistemi, infatti, possono sfruttare il calore residuo

prodotto dalla cogenerazione per funzionare efficacemente. A differenza dei sistemi frigoriferi a compressione, dove la

potenza termica è sottratta dalla sorgente fredda a discapito della potenza meccanica impiegata per azionare il

compressore, nei sistemi ad assorbimento è la potenza termica introdotta a garantire la refrigerazione. In tali sistemi,

la spesa meccanica per il funzionamento della pompa di circolazione del fluido è minima. La figura sotto riportata illustra

un esempio di layout per un ciclo ad assorbimento, nel quale, le funzioni del compressore, tipiche dei cicli a

compressione, sono assunte dall'assorbitore e dal desorbitore, i quali hanno il compito di aumentare la pressione del

fluido refrigerante, operazione che si realizza a scapito dell'energia termica fornita al ciclo. Per il funzionamento di

tali sistemi è indispensabile la presenza di una fonte di calore, dato che l'energia termica deve essere fornita a una

temperatura superiore a quella dell'ambiente circostante. Le specifiche tecniche relative alla potenza e alla temperatura

dipendono dalla particolare configurazione dell'impianto. Di conseguenza, il coefficiente di prestazione, o COP, per

questi impianti è determinato in base a tali parametri ed è esprimibile come:

=

Una distinzione fondamentale dei sistemi di raffreddamento ad assorbimento rispetto a quelli a compressione risiede

nella natura del refrigerante utilizzato. Quest'ultimo è composto da una miscela di due fluidi, comunemente ammoniaca

e acqua o acqua e bromuro di litio. Nelle configurazioni più comuni, l'ammoniaca agisce come agente refrigerante,

− ,

mentre nei sistemi basati su è l'acqua a essere incaricata di rimuovere il calore dall'ambiente da

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raffreddare. I sistemi commerciali che impiegano il ciclo al bromuro di litio sfruttano acqua calda, con temperature che

90 130°,

oscillano tra i e i in funzione delle dimensioni dell'assorbitore; dimensioni che diminuiscono all'aumentare

11

della temperatura. Questo processo produce acqua refrigerata a circa 7°C e si caratterizza per un coefficiente di

0,75 − 0,70.

prestazione () che si attesta sui valori di Per applicazioni di refrigerazione intensiva, che richiedono

−20°,

temperature fino a si ricorre a sistemi ad ammoniaca, i quali presentano costi elevati per l'assorbitore. L'uso di

è giustificato dal suo costo contenuto e dalla sua ampia disponibilità sul mercato; tuttavia, a causa della sua alta

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tossicità e della sua infiammabilità moderata, non trova impiego in ambito domestico.

➢ Desorbitore: è il componente responsabile della produzione di vapore. Questo avviene tramite l'apporto di calore.

Tipicamente, a questo elemento è collegata una colonna di rettifica, che serve a incrementare l'efficienza della

separazione. Il vapore che si forma nel generatore si muove in direzione opposta rispetto al liquido ricco di soluzione,

che viene introdotto nella parte superiore del generatore. Tale movimento contrapposto favorisce uno scambio

termico ottimale, poiché la soluzione ha una temperatura inferiore rispetto al vapore, e consente anche uno scambio

di massa che purifica il vapore attraverso la condensazione dell'acqua in esso contenuta, nel caso di una soluzione

acqua- ammoniaca. La presenza del rettificatore, una colonna dotata di piatti che prolungano il contatto tra vapore

e liquido, amplifica ulteriormente la purificazione del vapore. Questo passaggio è cruciale per le soluzioni di

ammoniaca e acqua a causa della prossimità delle loro temperature di ebollizione. È essenziale limitare

significativamente la quantità di acqua nel refrigerante; idealmente, il refrigerante dovrebbe essere costituito

esclusivamente da ammoniaca pura per garantire l'efficacia del processo.

➢ Assorbitore: rappresenta il componente nel quale il vapore viene reimmesso nella soluzione diluita, liberando calore

che, a sua volta, viene assorbito dal sistema di utilizzo. Questo dispositivo è posizionato all'entrata della colonna,

dove il vapore sale dal basso e incontra il liquido con bassa concentrazione di fluido refrigerante. L'obiettivo è

massimizzare il contatto tra i due fluidi per permettere al vapore saturo di condensare e miscelarsi con il liquido,

rilasciando calore. Durante questo processo di cessione di calore, è fondamentale considerare tre diversi flussi

termici: il calore di condensazione, il calore di diluizione e il calore che deve essere rimosso per abbassare la

temperatura della soluzione durante l'assorbimento. Quest'ultimo processo permette di ottenere un

sottoraffreddamen