Principi e Funzionamento dei Cicli Frigoriferi: Da Carnot ai Sistemi a Vapore e Gas

Il Ciclo Frigorifero di Carnot

Il principio di funzionamento dei circuiti frigoriferi si basa sul ciclo di Carnot, ma che opera in senso inverso rispetto a quello dei motori a combustione interna. In questo modo, a spese di lavoro esterno, il fluido criogenico estrae calore da una sorgente fredda e lo cede a un serbatoio caldo. Un sistema di refrigerazione che opera in conformità con questo ciclo è costituito dai seguenti elementi:

• Un condensatore, che funge da serbatoio caldo (T₁).
• Un evaporatore, che è il dissipatore di calore (T₂).
• Un compressore, che aumenta la pressione e la temperatura del fluido.
• Un espansore o turbina, dove la pressione e la temperatura del fluido diminuiscono.

Le Quattro Fasi del Ciclo di Carnot Inverso

1. Compressione Adiabatica (Fase 1-2): Il compressore, azionato da un motore (che fornisce il lavoro speso in questo processo), aumenta adiabaticamente la pressione e la temperatura del fluido refrigerante da P₁ a P₂ e da T_f a T_c.

2. Condensazione Isoterma (Fase 2-3): Il fluido raggiunge il condensatore dove si liquefa, cedendo calore, Q₁, al sistema di raffreddamento del condensatore. Il fluido rimane a temperatura costante, T_c.

3. Espansione Adiabatica (Fase 3-4): Nell'espansore, il fluido si espande adiabaticamente, raffreddandosi a causa della diminuzione di pressione e temperatura (da T_c), in modo che il liquido evapori parzialmente.

4. Evaporazione Isoterma (Fase 4-1): Il fluido raggiunge l'evaporatore dove si espande isotermicamente a T_c, vaporizzando quasi interamente a pressione costante e assorbendo calore, Q₂, dal sistema da raffreddare.

Deviazioni del Ciclo Reale dal Ciclo Ideale di Carnot

I cicli di refrigerazione che si svolgono nella pratica differiscono da quello di Carnot per due aspetti principali. In primo luogo, i processi reali non sono reversibili, discostandosi dal comportamento ideale.

Il secondo aspetto riguarda la compressione. Poiché il fluido all'entrata del compressore è una miscela di liquido e vapore, e questo tipo di miscela presenta grossi problemi in fase di compressione, tale configurazione non viene utilizzata. Nei sistemi a vapore attuali, viene compresso solo il vapore, per cui si fa seguire l'evaporazione nell'evaporatore, al fine di ottenere vapore saturo.

Oltre a questi aspetti, un altro problema da considerare è l'espansione del liquido saturo che lascia il condensatore attraverso la turbina. Il lavoro che si ottiene è molto inferiore a quello richiesto per il compressore, per cui si sceglie di eliminare la turbina e sostituirla con un semplice elemento di espansione, come una valvola a farfalla o una valvola di laminazione (strozzamento), basata sulla diminuzione di pressione sperimentata da un fluido che passa attraverso un restringimento. Così, si ottiene un ciclo modificato che è più vicino al funzionamento dei sistemi reali.

Tipologie di Sistemi di Refrigerazione

Esistono essenzialmente due tipi di sistemi di refrigerazione: a vapore e a gas. Nei sistemi a vapore, il refrigerante viene vaporizzato e condensato alternativamente nei vari elementi del circuito, mentre nei sistemi a gas, il refrigerante è sempre in stato gassoso.

Sistemi di Refrigerazione a Vapore e a Gas

Nel sistema di raffreddamento a vapore, i processi che avvengono sono:

• Compressione Adiabatica (Fase 1-2): Compressione adiabatica del vapore saturo che entra nel compressore. Aumentano pressione e temperatura. Questa è la fase in cui viene fornito il lavoro al sistema (per azionare il compressore).

• Condensazione (Fase 2-3): Trasferimento di calore dal refrigerante verso l'esterno (il serbatoio caldo). In questo processo, il fluido si condensa; il calore ceduto è il calore latente di vaporizzazione del fluido criogenico, mantenendo così la temperatura e la pressione costanti.

• Espansione (Fase 3-4): Espansione adiabatica: il fluido passa attraverso la turbina (o valvola di espansione), trasformandosi da liquido saturo a una miscela liquido-vapore, producendo un lavoro positivo e diminuendo la temperatura e la pressione. Come notato sopra, la turbina è spesso sostituita da una valvola di espansione; viene poi aggiunto un circuito accumulatore che immagazzina il liquido proveniente dal condensatore.

• Evaporazione (Fase 4-1): Assorbimento di calore dal serbatoio freddo. Il fluido, che si presenta come una miscela liquido-vapore, entra nell'evaporatore e il vapore si arricchisce, recuperando all'uscita le condizioni iniziali di pressione, temperatura e volume, per iniziare un nuovo ciclo.

Il Ciclo a Refrigerazione a Gas

Nel sistema di raffreddamento a gas, il ciclo teorico è lo stesso, ma differenziato per l'ordine in cui vengono percorse le fasi:

1. Espansione Adiabatica (Fase 3-4): Il ciclo inizia con l'espansione adiabatica nella turbina, producendo così un lavoro positivo utilizzabile.
2. Assorbimento di Calore (Fase 4-1): Poi, in uno scambiatore di calore, il gas assorbe calore dal serbatoio freddo, aumentando la sua temperatura.
3. Compressione Adiabatica (Fase 1-2): Successivamente, il gas viene compresso adiabaticamente nel compressore, che richiede un lavoro esterno, aumentando la sua pressione e temperatura.
4. Rilascio di Calore (Fase 2-3): Infine, il gas passa attraverso un dispositivo di raffreddamento (scambiatore di calore), rilasciando calore verso l'esterno e recuperando le condizioni iniziali per avviare un nuovo ciclo.

Applicazioni dei Sistemi di Refrigerazione

Tra le applicazioni degli impianti di refrigerazione si includono: celle frigorifere per la conservazione degli alimenti, autocarri o vagoni per il trasporto di merci deperibili, sistemi di aria condizionata e raffreddamento di *server* (centri dati). In tutti i casi, il sistema da raffreddare è considerato il dissipatore di calore, e l'ambiente esterno come il serbatoio caldo.