1.

Introduzione

Refrigerazione Processo di riduzione e successivo mantenimento della temperatura, utilizzato soprattutto allo scopo di preservare determinate sostanze: cibi deperibili, medicinali e pellicce, ad esempio, vengono comunemente conservati in celle frigorifere, per tenere sotto controllo il proliferare di batteri e per impedire che si verifichino reazioni chimiche che normalmente hanno luogo a temperatura ambiente.

Poiché alla temperatura di fusione del ghiaccio (0 °C) diversi cibi e generi alimentari si conservano particolarmente a lungo, l’uso del ghiaccio per la refrigerazione fu molto diffuso fino agli inizi del Novecento, quando si resero disponibili i primi frigoriferi meccanici ed elettrici.

Anche l’anidride carbonica allo stato solido, conosciuta come ghiaccio secco, viene utilizzata come sostanza refrigerante. Alle normali pressioni atmosferiche, essa non esiste in fase liquida, ma sublima direttamente dallo stato solido a quello gassoso alla temperatura di circa -78 °C. Il ghiaccio secco è molto efficace per il mantenimento di prodotti a bassa temperatura.

Nei sistemi a refrigerazione meccanica, un fluido refrigerante viene fatto circolare in un circuito chiuso, nel quale ciclicamente evapora e poi condensa in forma liquida. Se non si verificano perdite, il refrigerante dura indefinitamente per tutta la durata dell’intero sistema. Tutto ciò che si richiede per mantenere attivo il raffreddamento è un apporto costante di energia, e un sistema di dissipazione del calore.

I due principali sistemi elettrici di refrigerazione sono quello a compressione, impiegato per usi domestici nei frigoriferi e negli impianti di condizionamento dell’aria, e quello ad assorbimento, ora usato principalmente nei sistemi di condizionamento d’aria destinati al campeggio, ma un tempo usato anche per apparecchi domestici.

2.

Sistemi a compressione

Un sistema a compressione ha un ciclo di refrigerazione dotato di quattro elementi: il compressore, il condensatore, la valvola di espansione e l’evaporatore. Un fluido refrigerante evapora nell’evaporatore, assorbendo calore dallo spazio che deve essere raffreddato. Il vapore viene successivamente aspirato in un compressore a motore elettrico, dove è portato ad alta pressione, con conseguente innalzamento di temperatura (vedi Termodinamica). Il gas a temperatura e pressione elevate così ottenuto viene raffreddato, fino a liquefarsi, in un apposito condensatore tenuto a bassa temperatura da aria o acqua; quindi, attraverso una valvola di espansione, il fluido completa il suo ciclo, fluendo nell’evaporatore, dove espande rapidamente, ritornando allo stato gassoso e sottraendo di nuovo calore all’ambiente.

3.

Refrigeranti

Ciascun refrigerante possiede una temperatura di ebollizione, o di vaporizzazione, che dipende dal valore della pressione: basta dunque agire su quest’ultima per ottenere la temperatura desiderata nell’evaporatore. Anche nel condensatore sussiste una simile relazione fra temperatura e pressione. Uno dei refrigeranti più diffusi è il diclorodifluorometano, o Refrigerante 12. Questo composto sintetico vaporizza intorno a -6,5 °C alla pressione di 246,2 kPa, e, dopo compressione a 909,2 kPa, condensa a circa 38 °C.

Nei frigoriferi domestici, il calore di condensazione viene ceduto all’ambiente che ospita il frigorifero, mentre nei sistemi di condizionamento d’aria questo calore deve essere dissipato all’esterno o assorbito dall’acqua di raffreddamento.

Nei sistemi di refrigerazione domestici l’evaporatore, chiamato freezer, è collocato sempre in un vano isolato termicamente e, in alcuni casi, costituisce l’intera cabina del frigorifero. Per mantenere la temperatura entro un intervallo fissato, il motore del compressore è controllato da un termostato.

Nei congelatori il compressore e il motore devono essere di grosse dimensioni, per poter gestire un volume di gas maggiore alla bassa pressione di evaporazione.

4.

Sistema ad assorbimento

Alcuni sistemi domestici di refrigerazione, detti a gas, utilizzano il ciclo di assorbimento. Una soluzione concentrata di ammoniaca e acqua viene riscaldata da una fiamma a gas in un contenitore chiamato bollitore, dove l’ammoniaca evapora; il vapore di ammoniaca così prodotto viene convogliato nel condensatore. Come nel sistema a compressione, dopo essere stata ricondensata in forma liquida, l’ammoniaca passa nell’evaporatore, dove espande sottraendo calore all’ambiente. Il gas di ammoniaca viene quindi raccolto in un assorbitore dove, per rigenerare la soluzione concentrata iniziale, viene assorbito dall’acqua; questa, inizialmente rimasta nel bollitore, è immessa nell’assorbitore attraverso uno scambiatore termico che ne regola in modo opportuno la temperatura. La soluzione passa quindi nel bollitore e il ciclo ricomincia.

Gli impianti ad assorbimento hanno rendimento piuttosto basso: sono adatti ad apparecchi che richiedono temperature fra i 7 °C e i 10 °C. In questi casi si può utilizzare l’acqua come refrigerante, e una soluzione acquosa di sale, ad esempio il bromuro di litio, come sostanza assorbente.

5.

Fluidi refrigeranti e ambiente

La maggior parte dei frigoriferi domestici, degli impianti industriali e dei sistemi di condizionamento dell’aria impiega clorofluoroidrocarburi (CFC) – fra i quali il freon – come liquidi refrigeranti (vedi Fluoro). Questi composti costituiscono una seria minaccia per l’ambiente, perché danneggiano lo strato di ozono nell’atmosfera terrestre. La produzione di CFC è stata considerevolemente ridotta, se non addirittura soppressa, nella maggior parte dei paesi industrializzati. L’industria del settore si sta volgendo rapidamente verso soluzioni alternative, che hanno effetti inquinanti minori: un esempio sono i refrigeranti Suva, realizzati dall’azienda statunitense DuPont.

Sono inoltre in corso degli studi sulla possibilità di creare sistemi di refrigerazione completamente nuovi, basati sull’uso di onde acustiche. In sostanza, con un altoparlante modificato verrebbero generate onde sonore di grande ampiezza all’interno di un gas compresso. Al momento, con questa tecnica sono state raggiunte promettenti temperature dell’ordine dei -8 °C. Essa sembra quindi offrire una buona alternativa ai tradizionali sistemi di refrigerazione, dannosi per l’ambiente.

Vedi anche Criogenia.