frigorìfero
Indice
Lessico
agg. e sm. [sec. XX; dal latino frigus-ŏris, freddo+-fero].
1) Agg., che produce un abbassamento della temperatura; che concerne la produzione del freddo artificiale: miscela frigorifera, impianto frigorifero; catena frigorifera, l'insieme degli apparecchi, impianti e mezzi di trasporto che permettono la conservazione dei prodotti alimentari dal congelamento alla consegna al consumatore; magazzino frigorifero, magazzino dotato di impianto di refrigerazione per la conservazione di derrate alimentari che a temperatura ambiente deperirebbero; nave frigorifera, carro frigorifero, autocarro frigorifero, dotati di impianti frigoriferi per il trasporto di prodotti deperibili. In particolare, le navi frigorifere, per le spese d'installazione e di funzionamento degli impianti e la possibile limitata durata di alcuni carichi, devono avere velocità più elevate di quelle delle normali navi da carico.
2) Sm., macchina o impianto termodinamico capace di produrre freddo, cioè di sottrarre calore a un sistema a bassa temperatura cedendolo a un ambiente a temperatura più elevata. Per estensione, luogo, ambiente molto freddo: questa stanza è un frigorifero. Fig., nel linguaggio giornalistico, archivio in cui si conserva materiale fotografico e biografico riguardante personaggi di attualità, per utilizzarlo al momento opportuno.
Tecnica: ciclo a compressione
La maggior parte degli impianti e tutti i frigoriferi d'uso corrente sono basati sul ciclo a compressione che può essere così descritto: un aeriforme viene compresso mediante un compressore e subisce perciò un innalzamento della temperatura, quindi viene inviato in uno scambiatore di calore che lo riporta alla temperatura originaria senza variarne la pressione. In questa fase ha luogo lo smaltimento del calore nel sistema a temperatura più elevata (ambiente esterno). Successivamente l'aeriforme viene fatto espandere in un ambiente a pressione più bassa; l'abbassamento di temperatura conseguente all'espansione consente di sottrarre calore all'ambiente; in questa fase si ha l'effetto frigorigeno richiesto. Il ciclo descritto (ciclo di Joule), che permette di avvicinarsi con buona approssimazione al ciclo frigorifero ideale di Carnot, comprende le seguenti fasi: compressione adiabatica; raffreddamento isobaro nell'ambiente a temperatura superiore; espansione adiabatica; riscaldamento isobaro, con sottrazione di calore all'ambiente a temperatura inferiore. Tale ciclo può essere compiuto da un gas oppure da un vapore di adatte caratteristiche, che in determinate fasi passa allo stato liquido. Questa seconda soluzione è quella in pratica adottata nelle macchine a compressione data l'elevata quantità di calore liberata o assorbita durante i passaggi di stato; ciò comporta una notevole riduzione del quantitativo di fluido in evoluzione e un minor ingombro dell'impianto. Il ciclo adottato comprende quindi anche una condensazione, che segue la compressione e il desurriscaldamento, e un'evaporazione, che segue l'espansione. I compressori usati possono essere volumetrici, a capsulismo, o centrifughi. Lo scambiatore di calore (condensatore) dove avvengono il desurriscaldamento e la condensazione è costituito da un complesso di tubi alettati, in rame, alluminio o altra lega dotata di buona conduttività termica, raffreddato con aria a circolazione naturale o forzata, oppure con acqua. L'evaporatore, posto a valle della valvola di espansione, è uno scambiatore a tubi lisci o alettati, spesso incorporati nelle stesse pareti della cella frigorifera (per esempio nei frigoriferi domestici). Le valvole di espansione sono di vario tipo (termostatiche, a galleggiante, a solenoide) e negli impianti più semplici sono sostituite da un lungo tubo capillare. I fluidi refrigeranti usati possono essere ammoniaca, anidride carbonica, anidride solforosa o più spesso freon. Poiché il fluido frigorigeno della maggior parte dei frigoriferi domestici è costituito da freon, che viene disperso quando l'elettrodomestico viene rottamato, il suo uso è stato vietato e i nuovi gruppi frigorigeni che, a parità di costo, resa e ingombro, impiegano un prodotto diverso e meno dannoso all'ambiente. Sono anche stati fatti tentativi per realizzare macchine a vapor d'acqua, facendo evaporare una soluzione salina a basso punto di congelamento e aspirando i vapori con eiettori a vapore vivo che sostituiscono il compressore. L'inconveniente di queste macchine è dato dal volume enorme di vapore che si deve aspirare a bassissima pressione, con temperatura attorno a 0 ºC.
Tecnica: ciclo ad assorbimento
Alcuni tipi di frigorifero sono basati sul ciclo ad assorbimento, che funziona senza compressore: in questi il fluido refrigerante è un liquido contenente un gas in soluzione; generalmente si usa una soluzione di ammoniaca in acqua. La soluzione viene riscaldata in una caldaia (bollitore) nella quale l'ammoniaca evapora, separandosi dall'acqua; al procedere dell'evaporazione, la pressione dell'ammoniaca aumenta fino a provocare la condensazione del vapore di ammoniaca nel condensatore. Successivamente il condensato viene fatto espandere, attraverso una valvola, nell'evaporatore, dove evapora nuovamente assorbendo calore dall'ambiente, che deve essere raffreddato. L'acqua che rimane nella caldaia dopo l'evaporazione dell'ammoniaca passa in uno scambiatore di calore dove si raffredda e giunge all'assorbitore, dove riassorbe il vapore di ammoniaca proveniente dall'evaporatore. La soluzione di ammoniaca in acqua viene quindi riportata, attraverso lo scambiatore di calore, al bollitore per mezzo di una piccola pompa di circolazione. I frigoriferi ad assorbimento hanno un basso rendimento a causa del consumo di calore necessario per consentire l'evaporazione dell'ammoniaca, tuttavia va osservato che molte volte funzionano recuperando il calore, che andrebbe comunque perduto, di prodotti di combustione, vapor d'acqua di scarico, ecc. Il vantaggio di questo ciclo è che non è rumoroso, come quello a compressione, e non richiede energia elettrica ma può utilizzare una qualsiasi fonte di calore. In quanto silenziosi i piccoli frigoriferi ad assorbimento sono installati in quasi tutte le stanze di alberghi e in molti uffici. Si sono anche affermate, per applicazioni industriali e impianti di condizionamento, macchine ad assorbimento a bromuro di litio, costruttivamente più semplici e di maggior rendimento rispetto a quelle ad acqua e ammoniaca.
Industria: frigoriferi portatili a celle di Peltier
I frigoriferi per auto, campeggio e nautica si fondano sull'effetto Peltier, fenomeno legato a una lega bimetallica basata sul bismuto di tellurio (Bi2Te3) che aveva la capacità, se riscaldata, di generare energia. Le cosiddette celle Peltier, che sfruttano tale fenomeno, sono composte da una matrice di blocchetti semiconduttori chiusa da due superfici metalliche o ceramiche. Una cella Peltier ha uno spessore di circa 8 mm e una superficie che varia dai 25 ai 100 cm², che se alimentata con una tensione di circa 15V, crea un rapido raffreddamento della superficie e un riscaldamento di quella opposta. Fissando tale cella a un contenitore metallico e dotandola di un dissipatore termico si ha una perfetta macchina frigorifera senza parti in movimento né gas. Una particolarità delle celle Peltier è che, invertendo la tensione di alimentazione, si cambia il verso in cui viene pompato il calore e ciò che era un contenitore frigorifero diventa uno scaldavivande. L'efficienza delle celle Peltier non è tale però da utilizzarle per grosse quantità di refrigerazione come nei frigoriferi o congelatori domestici o celle frigorifere industriali.
Industria: frigoriferi domestici
I frigoriferi per usi domestici sono costituiti da un armadio di piccola o media cubatura, con pareti isolanti, vano e sportello suddivisi in idonei ripiani e scomparti; affermati sono i tipi con la parte superiore separata che funge da cella di congelamento e quelli a doppio o triplo sportello (i cosiddetti big-size) che incorporano un congelatore vero e proprio (che può avere un motore unico o due motori separati) e uno scomparto per il ghiaccio con distributore di cubetti o ghiaccio tritato e bevande fresche. Tutti i frigoriferi hanno un vano metallico nelle cui pareti passano i condotti di circolazione del fluido refrigerante per cui funziona da congelatore (freezer). Molti sono composti da un sistema automatico di sbrinamento che, alla fine di ogni ciclo di raffreddamento, provoca il riscaldamento della serpentina e lo scioglimento del ghiaccio formatosi per la condensa dell'umidità dell'aria (sistema no-frost). Alcuni frigoriferi sono dotati anche di un sistema di ventilazione per la circolazione dell'aria interna e la distribuzione più omogenea del freddo. Nei modelli più grandi è previsto uno spazio per le verdure e uno per i vini (cantina) a temperatura e umidità controllata. Nei negozi e nei magazzini si usano celle refrigeranti aperte o chiuse, per prodotti surgelati, e armadi frigoriferi per la conservazione di derrate alimentari e di carni.
Industria: nuove tecnologie
Come nel caso delle apparecchiature di condizionamento, anche per i frigoriferi la tendenza è quella di sostituire i fluidi refrigeranti, come i CFC, con un derivato l'HFC134a (idro-fluoro-carburo) che non contiene cloro (ritenuto il maggiore responsabile della distruzione dello strato d'ozono) e ha un potenziale di aggressione dell'ozono dieci volte inferiore a quello dei CFC tradizionali; tuttavia, è accusato di contribuire all'aumento dell'“effetto serra”. Altri elementi sostitutivi dei fluidi refrigeranti sono l'ammoniaca, oppure ancora gli idrocarburi innocui per la fascia di ozono atmosferico (ciclopentano e isobutano), che hanno per ora lo svantaggio di richiedere impianti più complessi, tali da far salire il prezzo di vendita del frigorifero. Un caso a sé nelle nuove tecnologie del freddo è quello rappresentato dal frigorifero termoacustico, sviluppato da alcuni centri di ricerca degli Stati Uniti. Al posto del pistone dei frigoriferi tradizionali che comprime il fluido refrigerante, c'è un motore elettrico lineare che fa vibrare una membrana per produrre onde acustiche. La membrana, simile a quella di un altoparlante, diffonde le onde sonore in una camera acustica risonante di forma particolare, nella quale gli echi si sovrappongono esattamente all'onda originaria rinforzandola fino a raggiungere anche il livello di 160-180 dB (il sistema è acusticamente isolato). Si ha così un'onda sonora stabile tale che le sue creste si dispongono ognuna alle due estremità della camera e il suo avvallamento al centro. Poiché il suono è un'onda di pressione, le creste corrispondono alle zone di pressione massima e l'avvallamento a quelle di pressione minima. Nella camera è contenuto il fluido refrigerante (gas inerti come elio e argo) che viene mosso avanti e indietro a una frequenza di 600 Hz tra le creste e l'avvallamento dell'onda. Il gas in movimento verso l'alta pressione si comprime e si riscalda, quello in movimento verso la bassa pressione si espande e si raffredda. Il freddo viene “catturato” attraverso uno scambiatore di calore. La differenza termica non è rilevante in termini assoluti, ma poiché il processo di compressione ed espansione del gas avviene 600 volte al secondo, il potenziale termico risultante è significativo. In campo scientifico, si sta sperimentando una tecnica di raffreddamento laser per ottenere temperature prossime allo zero assoluto. Un raggio laser viene convogliato verso un bersaglio composto da molecole gassose e, tramite un gioco di risonanze simile a quelle del frigorifero acustico, riesce a separare le particelle più calde da quelle più fredde. Un prototipo, realizzato nel laboratorio di ricerca istituito presso Los Alamos (Nuovo Messico), ha raggiunto la temperatura di -65 °C (204 °k). La cella frigorifera è costituita da un cilindro in vetro alla fluorite lungo 8 cm con un diametro di 8 mm. L'unica fonte di energia è un piccolo laser da 11 watt Yb (YAG) che emette sulla lunghezza d'onda di 1,02 µm.