Frigorifero - saVRee

Articolo

Storia del Frigorifero

Prima dell'invenzione dei frigoriferi, le persone utilizzavano metodi tradizionali per conservare i cibi. Questi metodi includevano salatura, affumicatura e essiccazione. Durante le stagioni invernali, le persone scavavano buche e conservavano i loro alimenti sottoterra. Sapevano che il cibo rimaneva commestibile più a lungo quando era mantenuto freddo, ma non comprendevano il motivo scientifico.

Le ghiacciaie furono i primi dispositivi utilizzati come frigoriferi tra il 1860 e il 1890. Ogni ghiacciaia era realizzata in legno rivestito di zinco e aveva scomparti per conservare il ghiaccio. Purtroppo, il ghiaccio durava solo una settimana prima di dover essere sostituito da un uomo del ghiaccio (sì, questa occupazione esisteva!). Poiché non c'era modo di produrre ghiaccio, gli uomini del ghiaccio lo raccoglievano durante la fredda stagione invernale e lo conservavano nelle ghiacciaie fino a quando non era necessario.

L'introduzione del primo frigorifero commerciale avvenne nel 1911. Il design originale utilizzava ammoniaca come refrigerante, ma si scoprì che aveva un cattivo odore se perdeva ed era velenosa se inalata. Ulteriori sviluppi continuarono negli anni '20 e '30 fino a quando il design comune del frigorifero domestico divenne disponibile sul mercato; questo design più moderno utilizzava vari tipi di gas freon.

Frigorifero Domestico Moderno

Frigorifero Domestico Moderno

Come Funzionano i Frigoriferi

I frigoriferi raffreddano lo spazio di stoccaggio per gli articoli deperibili al fine di rallentare la crescita dei batteri e prevenire il deterioramento. Ottengono questo effetto di raffreddamento assorbendo calore in un'area e trasferendolo in un'altra. Il processo forma un ciclo continuo di evaporazione e condensazione, che sono entrambi processi di calore latente.

Calore Latente e Sensibile

Calore Latente e Sensibile

Lato Basso e Lato Alto

Metà di un sistema di refrigerazione abbassa la pressione e la temperatura del refrigerante. Questa parte del sistema è spesso chiamata lato basso e si concentra sul processo di evaporazione (dove il liquido cambia stato in gas).

L'altra metà di un sistema di refrigerazione aumenta la pressione e la temperatura del refrigerante. Questa parte del sistema è spesso chiamata lato alto e si concentra sul processo di condensazione (dove il gas cambia stato in liquido).

Un sistema di refrigerazione è un sistema chiuso e richiede un refrigerante che cambi stato/fase ripetutamente, in modo sicuro ed efficiente. Tutti i sistemi di refrigerazione sono costituiti da cinque componenti principali: una valvola di espansione, un evaporatore, un compressore, un condensatore e un termostato.

Parti del Frigorifero

Componenti del Sistema del Frigorifero

Un modo logico per esaminare un sistema di frigorifero è iniziare dal punto in cui il refrigerante è in stato liquido, quindi seguire il refrigerante attraverso il sistema mentre cambia stato, pressione e temperatura. Tieni presente che il refrigerante evaporerà e condenserà durante il ciclo di refrigerazione e che ciò comporta l'assorbimento o il rilascio di calore (evaporazione e condensazione rispettivamente).

Sistema di Refrigerazione

Valvola di Espansione o Tubo Capillare

Una valvola di espansione o un tubo capillare segna l'inizio del lato basso del sistema di refrigerazione ed è il punto in cui il refrigerante cambia stato da liquido a vapore. I piccoli sistemi di refrigerazione utilizzano tubi capillari, mentre le unità più grandi utilizzano valvole di espansione.

I tubi capillari sono formati avvolgendo più volte tubi di rame per formare un cilindro a spirale; il loro design è basilare, quindi questo articolo si concentrerà sulla valvola di espansione e sul suo funzionamento. Indipendentemente dal design utilizzato, lo scopo dei tubi capillari e delle valvole di espansione è lo stesso, cioè riduzione della pressione e della temperatura.

Una valvola di espansione regola la quantità di refrigerante scaricata nell'evaporatore. Il refrigerante che passa attraverso la valvola di espansione subisce una significativa caduta di pressione e temperatura. Per ottenere ciò, la valvola ha un ingresso, un'uscita e gli interni della valvola (trim) installati tra di loro.

L'ingresso ammette il refrigerante liquido caldo pressurizzato dal condensatore.
Lo scopo della valvola è regolare (strozzare) la quantità di refrigerante che fluisce attraverso la valvola. Il volume di refrigerante che passa attraverso la valvola dipende dall'equilibrio della pressione che agisce su un diaframma all'interno della valvola. Tipicamente, il gas da un bulbo sensore che agisce sulla parte superiore del diaframma spinge la valvola ad aprirsi, mentre la pressione dall'evaporatore e una molla di pressione regolabile nella parte inferiore della valvola agiscono sul lato inferiore del diaframma e causano la chiusura della valvola. Il bulbo sensore forma un ciclo di feedback, che autoregola il flusso attraverso la valvola in base alla pressione del sistema dopo l'evaporatore. Nota che le posizioni del bulbo sensore e della molla all'interno della valvola possono essere invertite.
L'uscita rilascia uno spruzzo di refrigerante liquido-vapore freddo a bassa pressione nell'evaporatore.

Valvola di Espansione Termostatica

Valvola di Espansione Termostatica

La maggior parte delle unità frigorifere utilizza un bulbo sensore riempito di gas per generare un segnale riguardante se è necessario più o meno raffreddamento. Quando il bulbo sensore è più caldo della temperatura desiderata, il gas all'interno del bulbo si espande, il che causa una pressione sul diaframma della valvola di espansione termostatica, che causa l'apertura della valvola e un maggiore flusso di refrigerante verso l'evaporatore (ottenendo così più raffreddamento e una temperatura più bassa).

Una volta che l'evaporatore ha rimosso sufficiente calore e ristabilito la temperatura desiderata, il gas all'interno del tubo capillare si contrae, il che porta la valvola di espansione termostatica a muoversi verso la posizione chiusa.

In sintesi, la valvola di espansione riceve il refrigerante liquido dal condensatore, quindi ne abbassa la pressione, il che causa una conseguente caduta di temperatura. La pressione più bassa causa l'ebollizione del refrigerante e la sua trasformazione in vapore. Il refrigerante è alla sua temperatura più fredda quando lascia la valvola di espansione. Un bulbo sensore invia un segnale alla valvola di espansione termostatica e questo segnale viene convertito in movimento lineare del diaframma, che porta la valvola a regolare il flusso (strozzando il flusso).

Evaporatore

L'evaporatore è ciò che rende freddi gli scomparti del congelatore e del frigorifero all'interno di un frigorifero. Mentre il freddo, bassa pressione vapore dalla valvola di espansione viaggia attraverso le bobine dell'evaporatore, le bobine fredde attirano e assorbono calore dall'area circostante. Un ventilatore è installato su frigoriferi più grandi per far passare l'aria attraverso le bobine dell'evaporatore e quindi aumentare il tasso di trasferimento del calore tra le bobine e l'area circostante.

Compressore

Il compressore è considerato il cuore del ciclo di raffreddamento di un frigorifero e l'inizio del lato alto del sistema. È il corrispondente della valvola di espansione in quanto il refrigerante è alla sua temperatura più fredda e alla pressione più bassa quando lascia la valvola di espansione, e alla sua temperatura più calda e alla pressione più alta quando lascia il compressore.

I compressori sono disponibili in design alternativi (il più comune), rotativi e centrifughi, ma indipendentemente dal loro design, lo scopo di un compressore è aumentare la pressione del refrigerante. I compressori ottengono questo aspirando/prelevando refrigerante dall'evaporatore, quindi aumentando la pressione del vapore e scaricandolo in un condensatore. La compressione del vapore causa un aumento della sua temperatura. Il flusso attraverso il sistema di refrigerazione è causato dalla differenza di pressione (ΔP) creata dal compressore.

Condensatore

Nei piccoli frigoriferi, il condensatore è solitamente una serie di tubi o una bobina, e l'agente di raffreddamento è l'aria. Nei grandi impianti di refrigerazione, il condensatore è solitamente uno scambiatore di calore a guscio e tubo, con il refrigerante che scorre attraverso i tubi (fluido lato tubo) e l'acqua di raffreddamento che scorre intorno ai tubi (fluido lato guscio); l'acqua di raffreddamento è l'agente di raffreddamento.

Refrigeratore Industriale Moderno

Refrigeratore Industriale Moderno

Lo scopo del condensatore è raffreddare (rimuovere calore) dal vapore refrigerante caldo in modo che cambi stato in liquido. Nei piccoli frigoriferi e congelatori, il condensatore è tipicamente installato sul retro della cassa. La lunghezza e le configurazioni delle curve del condensatore sono progettate per espellere il calore garantendo che il refrigerante abbia tempo sufficiente per raffreddarsi. Come gli evaporatori, i condensatori raffreddati ad aria possono utilizzare un ventilatore assiale per aumentare il tasso di trasferimento del calore tra l'aria e il refrigerante.

Il refrigerante liquido dal condensatore viene scaricato alla/alle valvole di espansione, chiudendo così il ciclo del sistema refrigerante.

Termostato

Un termostato viene utilizzato per misurare la temperatura effettiva all'interno dello spazio refrigerato e confrontarla con la temperatura desiderata. I termostati possono utilizzare segnali meccanici o elettronici a seconda di quanto è complesso il sistema del frigorifero.

Lo scopo principale di un termostato è garantire che la temperatura desiderata sia mantenuta. Lo ottiene inviando un segnale al compressore per avviarsi o fermarsi, se la temperatura è troppo alta o bassa, rispettivamente.

I sistemi che si affidano solo a segnali elettronici, hanno relè associati che avviano e fermano il/i compressore/i. I sistemi che utilizzano segnali elettromeccanici, di solito utilizzano strisce bimetalliche per avviare e fermare il compressore.

Temperatura, Pressione e Punto di Saturazione

Per capire se un sistema di refrigerazione funziona correttamente, le letture di temperatura e pressione vengono utilizzate come indicatori chiave del livello di saturazione di un refrigerante.

Il punto di saturazione è anche noto come punto di ebollizione, è il punto in cui il liquido non può immagazzinare più energia termica senza iniziare a cambiare stato. C'è spesso confusione riguardo al punto di saturazione, le seguenti definizioni dovrebbero aiutarti a comprendere ulteriormente l'argomento.

La temperatura di saturazione è la temperatura alla quale il liquido bolle e cambia stato in vapore.
La pressione di saturazione è la pressione alla quale il liquido bolle e cambia stato in vapore.
Il vapore è gas che contiene alcune gocce di liquido, un ulteriore riscaldamento del vapore porterà il vapore a diventare gas.

Man mano che la pressione del sistema aumenta, aumenta anche la temperatura di saturazione, cioè il punto in cui il liquido inizia a trasformarsi in vapore. Ad esempio, l'acqua dolce/dolce bollirà a una temperatura inferiore a 100°C (212°F) se la pressione è inferiore alla pressione atmosferica (1 bar, 14,5 psi). Allo stesso modo, se la pressione del sistema viene aumentata a 100 bar (145 psi), l'acqua dolce inizierà a bollire solo a una temperatura molto più alta di 100°C (212°F). Pertanto, controllando la pressione del sistema, è possibile controllare la temperatura di saturazione del refrigerante e corrispondentemente il suo stato in vari punti all'interno del sistema.

Punto di Ebollizione Basato su Pressione e Temperatura

Punto di Ebollizione Basato su Pressione e Temperatura

Le letture di temperatura, pressione e temperatura di saturazione sono particolarmente importanti per l'evaporatore e il condensatore perché il refrigerante deve avvicinarsi alla temperatura di saturazione per evaporare o condensare.

Le relazioni tra temperatura, pressione e temperatura di saturazione sono indicate nei grafici temperatura-pressione della refrigerazione. Poiché ogni tipo di refrigerante ha proprietà diverse (diversa temperatura di saturazione ecc.), il grafico corretto deve essere scelto per il refrigerante corretto.

Dettagli del Modello 3D

Questo modello 3D rappresenta un tipico frigorifero domestico. L'invenzione dei frigoriferi ha cambiato enormemente il corso dello sviluppo umano. Ora è possibile conservare il cibo per mesi prima del consumo e questo ha liberato l'umanità dai cicli di scarsità e abbondanza associati al cambiamento delle stagioni. Inoltre, ora è possibile spedire cibo su distanze considerevoli prima del consumo; questo ha permesso grandi concentrazioni di popolazione in aree che non avrebbero potuto tradizionalmente sostenere una popolazione così grande. Il modello 3D mostra: