Elementi del circuito frigorifero
Il circuito frigorifero usato in refrigerazione è un circuito chiuso detto a "compressione di vapore".
Esso sfrutta l'evaporazione di un fluido refrigerante all'interno del circuito, in particolare in uno scambiatore di calore detto appunto evaporatore, che assorbe energia dall'aria circostante che poi raggiunge il vano alimenti grazie alla convezione naturale o forzata dalle ventole (si veda anche "FARE FREDDO" e "PRESSIONE E TEMPERATURA").
Una volta evaporato il refrigerante non è più in grado di assorbire energia in maniera significativa, pertanto risulta necessario riportarlo allo stato di liquido attraverso al condensazione.
Si pone però il problema di trovare un ambiente abbastanza "freddo" che assorba energia dal refrigerante, di certo non potrà essere il vano frigorifero appena refrigerato.
Sfruttando la correlazione tra pressione e temperatura di cambio di stato che fa sì che a pressioni maggiori corrispondano temperature maggiori, viene utilizzato un compressore per portare il refrigerante ad una pressione più elevata rispetto all'evaporatore (anche 8-10 volte!) in modo che il processo di condensazione possa avvenire a temperature compatibili con un sorgente "fredda" facilmente disponibile, tipicamente l'aria esterna dell'edificio.
Qui la condensazione avverrà a temperature elevate (solitamente 35-55°C) all'interno di uno scambiatore di calore che mette in contatto l'aria esterna con il refrigerante. Quest'ultimo condenserà tornando allo stato liquido mentre l'aria esterna subirà in aumento di temperatura
Il refrigerante liquido è ancora ad alta pressione all'uscita del condensatore. Occorre pertanto un organo di laminazione che espanda il refrigerante liquido abbassandone la pressione sino a quella a cui avviene l'evaporazione; ora il refrigerante è tornato allo stato iniziale (liquido a bassa pressione e temperatura) e può assorbire nuovamente energia dall'aria proveniente dal vano alimenti.
I principali componenti di circuito frigorifero pertanto sono:
Evaporatore: è uno scambiatore di calore simile ad un radiatore in caso di utilizzo con aria (serpentina alettata) o più compatto in caso di utilizzo con acqua (piastre, fascio tubiero); permette lo scambio di energia tramite conduzione tra il refrigerante che evapora passando da liquido a gas e l'aria (o l'acqua) che si raffredda. L'evaporazione avviene a pressione e temperatura pressoché costanti a meno di qualche perdita di carico. Il refrigerante in uscita sarà un gas surriscaldato con un temperatura leggermente superiore a quella di evaporazione.
Compressore: è un meccanismo di compressione volumetrica, ovvero di riduzione progressiva di volume, basato su sistemi rotativi o alternativi. La sua funzione è quella di far circolare il fluido refrigerante all'interno del circuito, quindi di aspirarlo allo stato di gas dall'evaporatore e comprimerlo, aumentandone la pressione, verso il condensatore. Il lavoro meccanico del compressore implica anche un aumento notevole della temperatura del gas (anche oltre i 100°C) ed un assorbimento di energia elettrica. Il consumo elettrico di un compressore sarà tanto maggiore quanto maggiore è la differenza tra le due pressioni alle quali lavora. È essenziale che il refrigerante in ingresso al compressore sia allo stato gassoso in quanto i liquidi sono notoriamente incomprimibili. Il compressore viene attivato quando viene richiesta alla macchina la produzione di freddo, solitamente attraverso sistemi di termostatazione.
Condensatore: è uno scambiatore di calore analogo all'evaporatore, di dimensioni leggermente più generose anch'esso in forma di batteria alettata, piastre o fascio tubiero. Permette lo scambio di energia tra l'aria esterna (o acqua nel caso) forzata tramite ventole ed il refrigerante in forma di gas caldo in uscita al compressore. Il refrigerante si raffredderà, condenserà a temperatura e pressione pressoché costanti e successivamente subirà in leggero sottoraffreddamento. In uscita quindi avremo refrigerante liquido ad alta pressione e temperatura leggermente inferiore alla temperatura di condensazione.
Organo di laminazione: è costituito da un orificio calibrato, un tubo capillare di diametro ridotto o una valvola di regolazione di tipo meccanico o motorizzata comandata da microprocessore. La strozzatura creata dall'organo di laminazione consente di abbassare la pressione del refrigerante liquido proveniente dal condensatore senza alcuno scambio di energia. Sfrutta il principio di Bernoulli secondo il quale attraverso una restrizione la velocità del fluido aumenta notevolmente causando una diminuzione di pressione con relativa diminuzione di temperatura. In questo modo il refrigerante liquido torna a bassa pressione e bassa temperatura pronto per evaporare nuovamente e ripetere il ciclo sopra descritto.
L'organo di laminazione è anche preposto a controllare il flusso di refrigerante che attraversa il circuito. Una quantità eccessiva rischia di danneggiare il compressore perché non riesce ad evaporare del tutto nell'evaporatore e rimane in parte liquida. Una quantità insufficiente riduce molto l'efficienza della macchina in quanto l'evaporatore non viene sfruttato.
