Tecnica del freddo

Tecnica del Freddo: Laurea Magistrale in Ingegneria Energetica

Anno 2022-2023: Niccolò Losi e Pietro Fornaciai

Sommario

• Introduzione .................................................................................................................................................. 2
• Impianto frigorifero ................................................................................................................................ 10
• Fluidi frigoriferi ..................................................................................................................................... 10
• Compressori ........................................................................................................................................... 22
• Evaporatori ............................................................................................................................................ 35
• Condensatori ......................................................................................................................................... 44
• Organi di laminazione ............................................................................................................................ 50
• Esempi cicli frigoriferi ........................................................................................................................... 57
• Perdite di carico negli scambiatori ........................................................................................................ 62
• Recupero perdite laminazione .............................................................................................................. 64
• Fluidi secondari ...................................................................................................................................... 69
• Accessori per impianti frigoriferi ........................................................................................................ 74
• Anidride carbonica ............................................................................................................................... 77
• Applicazioni industriali .............................................................................................................................. 78
• Criogenia ................................................................................................................................................ 78
• Cicli ad aria ............................................................................................................................................. 85
• Cicli ad aria umida ................................................................................................................................. 95
• Cicli tritermici ....................................................................................................................................... 102
• Cicli tritermici ad assorbimento ........................................................................................................... 110
• Ulteriori tecniche di refrigerazione ......................................................................................................... 120
• Refrigerazione magnetica .................................................................................................................... 120
• Termoacustica ..................................................................................................................................... 128
• Celle Peltier .......................................................................................................................................... 137
• Motore Stirling ........................................................................................................................................... 143
• Semiconduttori .......................................................................................................................................... 150

Introduzione

Sin dall’antichità, il problema della conservazione dei cibi ha richiesto la costruzione di ambienti a temperatura più bassa di quella circostante. Nelle regioni calde e aride come l’antica Persia, si costruivano grandi torri coniche, (alte sino a 20 metri) in materiale impermeabile ed isolante, con apertura superiore per garantire l’uscita dell’aria calda e ampio vano sotterraneo per lo stoccaggio del ghiaccio e delle derrate alimentari.

Le ghiacciaie sono ambienti naturali o artificiali che mantengono a lungo una bassa temperatura, essendo protetti dal sole e sufficientemente isolati termicamente. Il ghiaccio, prima delle macchine frigorifere, era trasportato dalle zone montuose in inverno e conservato per l’estate. In zone aride il ghiaccio poteva essere prodotto in loco, sfruttando il raffrescamento evaporativo e l’irraggiamento verso il cielo nelle notti limpide.

A fine ‘800 l’industria del ghiaccio era molto sviluppata, soprattutto negli USA. La distribuzione di ghiaccio si diffuse perché la possibilità di conservare più a lungo i cibi ebbe immediate positive ripercussioni sull’alimentazione umana. Rispetto ad altre tecniche (salatura, affumicatura, etc.) il freddo altera meno le caratteristiche organolettiche del cibo. Naturalmente l’approvvigionamento continuo di ghiaccio comporta molto lavoro.

In realtà, sin dal 17º secolo, si era riusciti ad ottenere temperature inferiori a 0°C sfruttando le miscele frigorigene. La prima descrizione di questo fenomeno risale al 1607 nell’opera “De Fama et Siti” del medico Latinus Tancredus: un bicchiere d’acqua immerso in una soluzione di ghiaccio e salnitro (nitrato di potassio) congela rapidamente. Già nel 17º secolo si producevano così granite e sorbetti.

Una miscela frigorigena in generale è una soluzione acquosa di un sale che presenta un eutettico. Può essere utilizzata per mantenere valori di bassa temperatura senza la necessità di utilizzare macchine frigorifere. L’esistenza di tali miscele è riconducibile alla regola delle fasi di Gibbs, che a pressione atmosferica si riduce a = − + 1.

Ad esempio, mescolando a pressione e temperatura ambiente ghiaccio tritato (o neve) e NaCl si hanno 2 componenti e 3 fasi (due fasi solide e una liquida per lo scioglimento del ghiaccio). La varianza si annulla e il sistema varia il suo stato verso l’equilibrio, che è l’eutettico a -21.3°C. Raffreddando una soluzione liquida di H₂O e NaCl con concentrazione inferiore a quella dell’eutettico E, si separerà ghiaccio puro dalla soluzione e la soluzione rimanente si concentrerà in NaCl sino all’eutettico. L’abbassamento crioscopico è la diminuzione di temperatura del punto di congelamento rispetto a quello del solvente puro.

Tale abbassamento può essere utile per impianti in cui si voglia far circolare un liquido a bassa temperatura. In inverno si usa il sale per sciogliere il ghiaccio sulle strade (il sale fa diminuire la temperatura del ghiaccio!). Raffreddando invece una soluzione a destra del punto E, dalla soluzione precipiterà sale.

Un altro effetto che ben presto si propose come mezzo per produrre il freddo è l’evaporazione. Tutti sappiamo che un termometro bagnato misura una temperatura inferiore (cfr. psicrometria). William Cullen (1710 –1790) sperimentò numerosi liquidi volatili. In un esperimento del 1755 un recipiente interno contenente nitrato di etile (C₂H₅NO₂) era immerso in un bagno d’acqua e connesso ad un ricevitore in grado di accogliere il vapore formatosi.

Dopo aver evacuato l’aria con una pompa a vuoto, si osservava l’ebollizione dell’etere e il congelamento dell’acqua. Naturalmente l’evacuazione dell’aria e del vapore comportava un notevole dispendio energetico, per cui l’apparato rimase allo stato prototipale. Più tardi, il concetto fu ripreso con la fondamentale aggiunta di una sostanza in grado di assorbire il vapor d’acqua, inizialmente acido solforico.

Questo concetto, opportunamente esteso e perfezionato, porterà infine alla macchina ad assorbimento di Edmond Carré (1833 –1894). D’altra parte, le conoscenze di termodinamica suggerirono nuovi modi di «produrre il freddo». Già nel 1824, Sadì Carnot comprese che il funzionamento delle macchine motrici termiche poteva essere invertito.

Invece di produrre lavoro sfruttando calore che passa da una sorgente calda ad una fredda, si poteva immaginare una macchina che sfrutta lavoro per far fluire il calore in senso inverso rispetto a quello naturale. La conoscenza della termodinamica porta così alla realizzazione delle prime macchine frigorifere. Tali macchine possono trasferire il calore da un ambiente più freddo ad uno più caldo; quindi, ad esempio possono mantenere un ambiente confinato ad una temperatura inferiore a quella ambiente.

Ad esempio, nel 1851 John Gorrie brevettò una macchina in cui una portata d’aria veniva compressa, raffreddata con acqua e riportata a pressione atmosferica, raggiungendo temperature così basse da rendere possibile la produzione di ghiaccio. L’aria si rivela però ben presto inadeguata rispetto ai fluidi che evaporano a bassa temperatura per sottrarre calore all’ambiente refrigerato. In tal modo, con piccole quantità di fluido si possono sottrarre grandi quantità di calore. Anche l’acqua può evaporare a bassa temperatura, ma solo a pressioni molto basse e con volumi enormi.

Il vapore prodotto dall’evaporatore viene compresso e si scalda. Il vapore caldo cede poi calore all’ambiente esterno e condensa. Il salto di pressione tra condensatore ed evaporatore è smaltito facendo passare il liquido in una strozzatura. Le prime installazioni sono a scala industriale e il freddo continua ad essere distribuito agli utenti sotto forma di ghiaccio. In tal modo i fluidi utilizzati possono anche essere pericolosi, perché vengono gestiti da personale specializzato. Il ghiaccio viene ancora usato in ghiacciaie domestiche.

I primi frigoriferi somigliano molto alle ghiacciaie. La macchina frigorifera posta superiormente utilizza spesso fluidi (ammoniaca, cloruro di metile) che sono tossici e/o infiammabili.

Il problema della pericolosità dei fluidi frigoriferi fu risolto da un gruppo di ricercatori della General Motors, tra i quali Thomas Midgley. GM produceva frigoriferi con il marchio Frigidaire e cercava composti chimicamente stabili e molto volatili. L’idea era di sostituire l’idrogeno negli idrocarburi con cloro e fluoro, per stabilizzare la molecola. Il primo fluido fu il dicloro-difluoro-metano, noto come Freon 12. Seguirono altri composti analoghi (Freon 11, Freon 22, etc.) e loro miscele.

Problemi ambientali dei FREON

Purtroppo, i FREON o CFC (cloro-fluoro-carburi) sono sicuri, stabili, economici ed efficienti, ma si sono rivelati dannosi per l’ambiente. Per primo (1970) si manifestò il problema del danneggiamento della fascia di ozono stratosferico, che ci protegge dai raggi ultravioletti provenienti dal sole. Il problema fu risolto con relativa facilità eliminando il cloro dalle molecole dei refrigeranti. Il Protocollo di Montreal del 1987 è uno dei pochi esempi di regolamentazione ambientale efficace: il buco nell’ozono si sta gradualmente riducendo, senza danno per l’industria del freddo.

Gli idrofluorocarburi (HFC) hanno sostituito i CFC e inizialmente sono stati ritenuti innocui. Sfortunatamente anche questi fluidi sono dannosi per l’ambiente. Dal punto di vista che abbiamo oggi, il danno ambientale più grave causato dai fluidi frigoriferi è il loro contributo all’effetto serra. Il contributo dei fluidi frigoriferi (F-gas) alle emissioni totali di gas ad effetto serra è modesto, ma è in crescita. Quindi anche l’industria frigorifera deve fare la sua parte in un mondo in cui la popolazione ed i consumi crescono costantemente.

Visto che i fluidi frigoriferi sono molto dannosi per l’ambiente è importante il corretto smaltimento dei frigoriferi usati. Prima di rottamare il frigorifero, il circuito deve essere svuotato dal fluido e questo deve essere trattato per ottenere sostanze chimiche utili o quantomeno non dannose per l’ambiente. Questo riguarda i frigoriferi domestici, ma ancor più gli impianti di condizionamento, che contengono quantità di fluido ancora maggiori e sono sempre più diffusi. Altrettanto problematico è il condizionatore per auto, che ha un compressore non ermetico (dev’essere collegato al motore) ed è ormai su tutte le auto.

Infine, emettono grandi quantità di fluido frigorifero gli impianti dei supermercati, che sono molto estesi per servire i vari banchi del punto vendita.

Valutazione dell'impatto ambientale

Per valutare il contributo totale all’effetto serra è stato introdotto l’indice TEWI ovvero Total Equivalent Warming Impact:

TEWI = (effetto diretto) + (effetto indiretto) = mGWP + aCO₂ T

dove m è la massa di refrigerante disperso dalla macchina durante la sua vita, aCO₂ è la massa di CO₂ emessa per produrre 1 kWh, T è la vita della macchina in ore ed e è la potenza elettrica assorbita. Il TEWI dipende dunque:

• Dal GWP di refrigerante
• Da quanto refrigerante sfugge dall’impianto: poco per un impianto sigillato come un frigo domestico molto per un impianto non sigillato (es, condizionatore auto) o esteso (impianto per supermercato).
• Tutta la carica se l’apparecchio non è smaltito correttamente.
• Da quanta CO₂ il sistema elettrico emette per kWh (poca se nel paese prevalgono energie rinnovabili o nucleare, molta se prevalgono i combustibili fossili).
• Da quanto il frigorifero consuma per produrre il freddo.

Più in generale, l’efficienza energetica di una macchina frigorifera è espressa dal suo Coefficiente di Prestazione (COP) o Energy Efficiency Ratio (EER):

COP = Calore sottratto / lavoro assorbito.

Per aumentare il COP si deve intervenire su tutti gli organi della macchina. Di norma quello che più influisce sull’efficienza dell’insieme è il compressore, che è anche l’unico organo in movimento del frigorifero.

Sono ancora molto diffusi i compressori a pistoni, soprattutto nella versione “ermetica” che è adatta alle macchine di piccole dimensioni, come i frigoriferi domestici. Per potenze maggiori sono usati anche compressori “scroll” o a vite. Anche gli scambiatori di calore devono essere accuratamente progettati per avere un buon COP. Il condensatore e l’evaporatore devono garantire una differenza di temperatura minima tra fluido frigorifero ed ambiente.

Nell’evaporatore il fluido entra sotto forma di miscela liquido-vapore (10-20% di vapore) ed esce sotto forma di vapore surriscaldato. In alcuni frigoriferi l’evaporatore è formato da due piastre di lamiera stampata in modo da creare un canale più o meno complicato. In altri casi l’evaporatore è semplicemente un tubo avvolto intorno alla parete interna del frigo. Si nota anche la serpentina di tubo molto sottile che forma la strozzatura tra condensatore ed evaporatore. Nel condensatore il fluido entra come vapore surriscaldato ed esce come liquido sottoraffreddato. Sia per il condensatore che per l’evaporatore lo scambio termico tra fluido frigorifero e pareti è molto efficiente. La presenza di liquido e vapore crea strutture complesse che promuovono lo scambio. Il problema è lo scambio all’esterno, specie se ci si affida alla convezione naturale.

Tipologie di frigoriferi e congelatori

A seconda del tipo di cibo da conservare, occorrono temperature diverse. Si deve distinguere tra frigoriferi e congelatori. I frigoriferi sono destinati agli alimenti freschi, con temperature che variano tra 5-10°C (“scomparti cantina” per vini) e 2-4°C per gli alimenti più facilmente deperibili (ad es. i latticini). I congelatori sono a loro volta suddivisi in classi di temperatura:

• 1 stella: per alimenti da conservare a temperatura massima di -6°C;
• 2 stelle: temperatura massima -12°C;
• 3 stelle: temperatura massima -18°C;
• 4 stelle: in grado di congelare 4,5 kg di alimenti per 100 l di volume portandoli a –18 °C in 24 ore e conservare gli alimenti congelati in condizioni tre stelle.

Il frigo-congelatore può essere incassato nel mobilio di cucina e quindi soggetto a vincoli di ingombro, aspetto esteriore, etc. La configurazione verticale con sportelli frontali è più diffusa. Esistono anche apparecchi orizzontali con apertura dall’alto, che sfruttano la stratificazione dell’aria per limitare le perdite attraverso lo sportello, ma rendono scomodo l’accesso agli alimenti.

Oltre a frigorifero domestico, la conservazione dei cibi oggi richiede un’intera catena del freddo, cioè un insieme di tecnologie e procedure che garantiscono che gli alimenti siano mantenuti alla giusta temperatura dalla produzione al consumatore. Se il cibo è congelato, non deve mai essere scongelato e ricongelato. Ciò richiede:

• Stabilimenti con apparecchi di surgelazione rapida (per non alterare le caratteristiche organolettiche dei cibi).
• Trasporto refrigerato con mezzi dotati di apparecchi frigoriferi.
• Magazzini di stoccaggio a servizio di numerosi punti vendita.
• Punti vendita al dettaglio con banchi frigo a varie temperature per esporre la merce.

Come si è detto, oltre che per la conservare i cibi, le macchine frigorifere servono al condizionamento dell’aria. I primi edifici ad averne bisogno furono i teatri e i primi cinematografi. Nei mesi estivi, in condizioni di forte affollamento, le condizioni termo-igrometriche divenivano rapidamente insostenibili, costringendo molti locali ad una forzata chiusura estiva o all’installazione di coperture mobili.

L’installazione di una macchina frigorifera si rivelò presto la soluzione più pratica. Il primo esempio risale al 1917, a Chicago. La macchina era di derivazione industriale e il fluido frigorifero era anidride carbonica.