Secondo parziale progettazione e logistica dei sistemi di ristorazione

Impianti frigoriferi

Un impianto frigorifero è un sistema che sottrae calore alle basse temperature e lo cede alle alte temperature. Dal punto di vista dell’ambiente, il frigorifero è la macchina calda. Le macchine frigorifere necessitano di energia, che può essere spesa all'interno dell’impianto, pertanto l’unità di misura è KJ Kcal Frigo (Frigoria).

Ciclo di Carnot

Considerando un piano T, S (temperatura, entropia), dove l’entropia è definita come un indice di disordine del sistema, si dimostra che il ciclo di Carnot è caratterizzato da due isoentropiche e due isotermiche (ciclo percorso in senso orario). Le curve isoterme (mantengono la stessa temperatura), quali 1→2 e 4→3, sono realizzabili mentre è complesso attuare le curve isoentropiche (mantengono la stessa entropia). Il ciclo di Carnot assorbe calore alle alte temperature e lo cede alle basse temperature, producendo lavoro.

Partendo dal ciclo di Carnot, si è formato un ciclo uguale ma che ruota in senso antiorario, invertito, che è la descrizione di un impianto frigorifero. Con tale ciclo, si sottrae calore alle basse temperature per cedere calore alle alte temperature, e per fare ciò è richiesto del lavoro, energia. Siccome è richiesto del lavoro, si deve fornire energia al sistema, invertendo i flussi termici. Il Q (evaporazione) entra nel sistema e viene portato alle alte temperature Q (condensazione).

Trasformazioni isotermiche

Nella trasformazione 4→3, S aumenta e T rimane costante (da liquido a vapore) e si ha un processo di evaporazione (Q_E).

Nella trasformazione 2→1, S diminuisce e T rimane costante e si ha un processo di condensazione (Q_C).

Trasformazioni isoentropiche

Nella trasformazione 3→2, a parità di entropia, si ha un innalzamento della temperatura, ovvero una compressione (questo fenomeno richiede lavoro); per esempio, un fluido (gas) che viene compresso innesca un processo tale per cui aumenta la temperatura e diminuisce il volume.

Nella trasformazione 1→4, non è realizzabile perché non esiste una trasformazione che permetta un mantenimento delle condizioni entropiche che porti a una riduzione di temperatura.

L’entalpia è l’energia che ogni Kg di sostanza si “porta dietro” e viene misurata in kcal/Kg → H = C × T.

Fluidi frigoriferi

I cicli frigoriferi sono percorsi da un fluido che ha la capacità di abbassare la temperatura. Il fluido frigorifero deve avere la caratteristica di essere in grado di evaporare a temperature inferiori a 0 °C:

• Acqua: Costa poco, facilmente reperibile; ottimo calore latente di evaporazione (riesce ad assorbire 540 Kcal), non è tossica né infiammabile, tuttavia ha un volume specifico troppo ampio per poter essere impiegata come fluido frigorifero e una T di ebollizione di 100 °C.
• Ammoniaca: Ha un’ottima temperatura di ebollizione (-33 °C), calore latente buono e volume specifico piccolo. È un fluido naturale che non ha impatto a livello ambientale, tuttavia è molto tossica.
• Anidride carbonica: Ha un’ottima temperatura di ebollizione (-78,5 °C) e volume specifico piccolo.

Le caratteristiche principali che deve avere un fluido frigorifero sono:

• Calore latente di evaporazione elevato
• Temperatura di ebollizione più bassa possibile
• Volume specifico piccolo
• Bassa tossicità
• Bassa infiammabilità

Si utilizzano CFC (cloro fluorori e cloro carburi) che non sono tossici, ma si è dimostrato che creavano grossi problemi all’ambiente (buco nell’ozono). Si sono create così delle catene di CFC con idrogeno (HCFC) che rendevano la molecola meno aggressiva. Oggigiorno si parla di HFC (R410, R408 etc). Tali fluidi (R410, R408) non sono tossici, né infiammabili e dispongono di un ottimo volume specifico, ottime temperature di congelamento ed ebollizione e calore latente medio. Il loro ruolo è trasferire in modo ottimale calore da una sorgente calda a una fredda.

Il mondo degli impianti frigoriferi lavora in diagramma di pressione ed entalpia:

• Campana: Curva di vapore saturo
• Riga orizzontale: Isobara (stessa pressione)
• Riga verticale: Isoentalpica (stessa entalpia)
• Riga rossa: Isoterme (stessa temperatura)
• Righe rosse diagonali: Isoentropiche (stessa entropia)

Si vanno a tracciare due spezzate di isoterma che corrispondono alla temperatura di evaporazione e temperatura di condensazione. Queste spezzate rappresentano i punti di variazione di stato del fluido. Dopodiché, si va a tracciare una curva isoentalpica che corrisponde da A a B (retta tratteggiata), dalla retta di temperatura di condensazione alla retta di temperatura di evaporazione (corrisponde una forte riduzione della pressione ma l’entalpia rimane costante).

La trasformazione che corrisponde a questa retta è irreversibile. Si tracciano le curve isoentropiche che sono rappresentate nella parte destra del grafico (esistono sono nella parte dedicata al vapore). Si parte dal punto C e si traccia una retta con andamento più o meno simile alle curve isoentropiche. Dal punto C al punto D si necessita di una curva isoentropica con la stessa forma, così si prolunga la curva di compressione e si identifica D’. Si prosegue dal punto C→D’ senza variazione di stato, avviene la compressione con aumento della temperatura. Da D’→D vi è una fase di raffreddamento, con abbassamento della temperatura senza un passaggio di stato. Segue un raffreddamento fino a temperatura di condensazione dove avviene un passaggio di stato (D→A) che condensa senza variazione di temperatura.

A→B valvola di laminazione (trasformazione isoentalpica)

B→C evaporatore (calore sottratto al prodotto posto nel frigorifero: Q_E); il punto C corrisponde al punto di saturazione del vapore

C→D avviene la compressione

D→A condensatore (cede all’ambiente calore di condensazione Q_C)

Esistono due scambiatori di calore: evaporatore e condensatore. La parte attiva del sistema è rappresentata dal compressore, il quale richiede energia per funzionare.

Prestazione impianto frigorifero

Per valutare l’efficienza di un impianto frigorifero si valuta il rapporto tra: ε = Q_E/L > 1 ε = (H_B – H_C) / (H_D – H_C) è adimensionale spesso pari a 3.

Il ciclo frigorifero si basa su questo bilancio, ovvero il calore che viene eliminato a livello di condensatore è pari al calore sottratto alle derrate più il calore prodotto dal compressore: Q_C = Q_E + L.

COP (coefficiente di prestazione) = Q_C/L con questo coefficiente si descrive una pompa di calore. Per aumentare l’efficienza posso aumentare Q_E o diminuire L.

Aumentare Q_E

Si esegue un sottoraffreddamento, invece di fermarsi nel punto A, ci si ferma nel punto A’ che è contenuto nel range liquido. Dal punto A’ si scende nel punto di laminazione, si identifica il punto B’. L’effetto ottenuto è che Q_E è aumentato (il rettangolo è più grande) ed è aumentato il valore di ε.

Diminuire L

La riduzione di L non è fattibile in quanto dipende dalla temperatura di evaporazione e quella di condensazione. L è il risultante della compressione e le temperature non possono essere modificate.

Componenti dell’impianto frigorifero

Compressore

Il compressore è l’unica componente attiva dell’impianto che richiede energia elettrica per il suo funzionamento ed attua la compressione del fluido frigorifero. Questa trasformazione comporta un innalzamento della temperatura senza passaggio di stato; è presente un motore elettrico attaccato alla corrente elettrica. Esistono tre tipi di compressori:

• Compressori volumetrici: Macchina in cui si ha un volume preciso (rappresentato con pistoni), che tramite processo di compressione, riduce il volume disponibile, ottenendo un aumento della pressione interna. Il limite è che hanno bisogno di valvole (limite di affidabilità meccanica), ma il vantaggio è che hanno dimensioni piccole. Questi compressori trovano applicazioni fino a una potenzialità frigorifera pari a 600 KWatt (utenze domestiche).
• Compressori centrifughi: Il compressore è formato da una girante che ruota e imprime al fluido (aria, acqua, vapore) una forza di tipo centrifugo, di conseguenza aumenta la pressione grazie alla mandata (formato da un tubo a diametro via via decrescente). Il limite è che sono più delicati in termini di regolazioni, ma sono più semplici e non hanno bisogno di valvole. Trovano applicazioni per alte potenzialità frigorifere da 700/800 fino a 40.000 kWatt (uso industriale). Questi due tipi di compressori necessitano di un motore elettrico (che fa muovere i pistoni o girare la girante).
• Compressori a vite: Sono costituiti da due elementi, una vite e i pignoni. La vite delimita un volume noto, il filetto centrale che funge da camera di compressione, dove confluisce il fluido. La vite è un rotore dove vengono vincolati degli elementi che hanno la possibilità di muoversi, che sono i pignoni, ingranati sul filetto. Quando la vite ruota, il pignone avanza e avanzando riduce il volume disponibile per il fluido (viene compresso), aumentando gradualmente la compressione. In corrispondenza di un foro in fondo, scarica il fluido compresso. I vantaggi di questi tipi di compressori sono che non hanno valvole ma solo un foro e una semplicità di regolazione tipica del sistema volumetrico, ma nello stesso tempo è una macchina semplice e silenziosa come il sistema centrifugo. Questi tipi di compressori hanno una potenzialità frigorifera dai 400 a 5000 kWatt e vengono impiegati nelle piccole industrie o anche nei frigoriferi domestici.

Rapporto di compressione: p (rho) = P_d/P_c < 10. Il rapporto di compressione deve essere pari al massimo a 9-10, se si supera questo valore si utilizzano due compressioni in serie.

Rendimento: Per stimare la potenza elettrica della macchina, e quindi l’energia che consuma, bisogna considerare che una macchina può avere un rendimento meccanico ed un rendimento elettrico. L (lavoro) è l’energia che il compressore fornisce al fluido che passa attraverso il compressore stesso. Il motore elettrico è una macchina che trasforma l’energia elettrica in energia meccanica. Il rendimento totale n_tot di due macchine in serie è uguale: N è tra 0,6-0,7 e N_E è sempre pari a 0,9 (situazione ideale, buon motore).

Tipi di compressori

• Compressori ermetici: Frigo di casa, motore e compressore non si possono aprire. Se si rompe una delle due componenti, va buttato tutto il frigo.
• Compressori semi-ermetici: Motore e compressore uniti, chiusi, ma si possono aprire, quindi si può fare manutenzione.
• Compressori aperti: Motore in un ambiente e il compressore in un altro ambiente. Si usano in ambienti dove non si vuole disperdere calore del motore (ha bisogno di diverse manutenzioni).

Condensatori

Il condensatore è uno scambiatore di calore che cede calore di condensazione all’ambiente esterno, ed ha lo scopo di portare il fluido da vapore a liquido (passaggio di stato), diminuendo l’entalpia del sistema totale. Q_C = Q_E + L, Q_C = P_REF (H_d – H_a).

Il condensatore prevede due/tre zone:

• Zona di raffreddamento del vapore (D’→D) che rappresenta una...