Refrigerazione di base: termodinamica del trasferimento di calore

Le persone che non operano nel settore della refrigerazione spesso pensano che le apparecchiature di refrigerazione producano aria fredda; infatti, l'apparecchiatura rimuove il calore dall'aria e lascia ciò che resta: il freddo. Quando il sensore determina che la temperatura target è stata raggiunta, l'apparecchiatura può fare una pausa e quando la temperatura risale, l'apparecchiatura si riaccende.

È un concetto abbastanza semplice, ma riconosciamo tutti che nelle apparecchiature di refrigerazione c'è molto di più di questo. In questo articolo imparerai i modi in cui fluisce il calore e i fattori che determinano la velocità del trasferimento di calore. Imparerai anche le quattro leggi che descrivono come i cambiamenti di temperatura e pressione influenzano lo stato del refrigerante in un sistema di tubazioni sigillato. In qualità di tecnico, dovrai sapere tutto questo mentre risolvi i problemi dell'apparecchiatura.

Esistono tre diversi metodi di trasferimento del calore:

Ora che hai compreso i diversi metodi di trasferimento del calore, devi sapere cosa influenza la velocità di trasferimento del calore:

I refrigeranti vengono scelti per proprietà specifiche e il modo in cui si comportano è fondamentale per il processo di rimozione del calore. Manipolando la temperatura e la pressione, è possibile impostare una condizione che consentirà al refrigerante di assorbire o respingere il calore.

In un sistema di refrigerazione autonomo o sigillato, le tubazioni del refrigerante sono completamente collegate e non esposte alla pressione dell'aria esterna e i componenti includono il compressore, il condensatore e l'evaporatore (vedere Figura 1).

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FIGURA 1: I sistemi di refrigerazione contengono componenti che includono il compressore, il condensatore e l'evaporatore. (Per gentile concessione di Heatcraft)

Allo stato liquido, il refrigerante è preparato per trasferire il calore dalla cabina frigorifera, ad esempio, attraverso il sistema allo scambiatore di calore esterno. I liquidi non possono essere compressi, quindi il refrigerante entra nell'ingresso del condensatore sotto forma di vapore caldo e si muove attraverso i passaggi della serpentina di condensazione. Poiché esiste una differenza di temperatura tra l'aria esterna e il vapore caldo, il calore verrà trasferito e il refrigerante cambierà stato da gas a liquido quando esce dall'uscita del condensatore.

Il ricevitore di liquido mostrato nella Figura 1 riceve semplicemente il liquido sottoraffreddato, quindi lo fluisce alla valvola di espansione termica (TXV) o alla valvola di espansione elettrica (EEV). Quando esce dalla TXV o dall'EEV, il refrigerante va ad un distributore, che divide il flusso del refrigerante liquido in tutte le aperture della batteria evaporante. Qui, la pressione del refrigerante diminuirà, abbassando la temperatura. Questi due fattori sono direttamente proporzionali.

Nella serpentina dell'evaporatore si verifica un notevole calo di temperatura a causa della caduta di pressione. L'aria più calda che viene soffiata attraverso la serpentina cederà parte del calore assorbito dal refrigerante più freddo che viene risucchiato attraverso la linea di aspirazione al compressore. Il vapore refrigerante entra nel compressore, che scarica il refrigerante come gas caldo che poi entra nell'ingresso della batteria di condensazione, dove viene respinto o cede il calore raccolto dall'evaporatore all'ambiente esterno. Così facendo, cambia stato da gas caldo a liquido sottoraffreddato. Poi il ciclo ricomincia da capo.

Esiste un insieme di leggi che governano questi cambiamenti di stato da vapore a liquido. Quando il refrigerante si trova all'interno di un sistema sigillato, diversi fattori influenzeranno il suo stato liquido o gassoso (vapore) e esistono quattro leggi che descrivono il comportamento del refrigerante:

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FIGURA 2: La legge di Boyle afferma che la pressione di un gas ideale (un gas privo di contaminanti al suo interno) è inversamente proporzionale al suo volume a temperatura costante. (Per gentile concessione di Heatcraft)

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FIGURA 3: La legge del gas perfetto afferma che se il refrigerante viene riscaldato, la sua pressione aumenterà, mentre se il refrigerante viene raffreddato, la sua pressione diminuirà. (Per gentile concessione di Heatcraft)

Tutte queste informazioni possono aiutare i tecnici a diventare più esperti nella risoluzione dei problemi. Sapere come dovrebbe funzionare l'apparecchiatura fornisce una base per un mezzo di confronto.