Diagrammi pressione-entalpia per il ciclo frigorifero

Un diagramma pressione-entalpia può sembrare complesso a prima vista, ma è uno degli strumenti più utili per comprendere il comportamento del refrigerante all’interno di un impianto a compressione di vapore. Una volta riconosciute le regioni principali e comprese le quattro trasformazioni, il diagramma permette di ricavare da pressioni e temperature un quadro chiaro del funzionamento dell’impianto.

Queste conoscenze sono direttamente pertinenti alla termodinamica alla base delle prove d’esame UE per il certificato A1 sui gas fluorurati. Sono utili anche per le competenze pratiche relative a compressori, condensatori, evaporatori, dispositivi di espansione, misurazione della pressione e diagnosi degli impianti.

“Il refrigerante è il fluido di lavoro.”

Questo semplice concetto è fondamentale. Il refrigerante circola continuamente, cambiando pressione, temperatura, entalpia e stato fisico mentre assorbe e cede calore.

I quattro componenti principali del ciclo frigorifero

Un circuito frigorifero di base a compressione di vapore contiene quattro componenti principali:

1. Compressore: aspira vapore a bassa pressione e lo comprime trasformandolo in vapore ad alta pressione e ad alta temperatura.
2. Condensatore: cede calore e trasforma il refrigerante da vapore a liquido ad alta pressione.
3. Dispositivo di espansione: riduce la pressione del refrigerante e regola il flusso verso l’evaporatore.
4. Evaporatore: assorbe calore e trasforma la miscela di refrigerante a bassa pressione in vapore.

Il lato di alta pressione si estende normalmente dallo scarico del compressore, attraverso il condensatore e la linea del liquido, fino all’ingresso del dispositivo di espansione. Il lato di bassa pressione inizia dopo il dispositivo di espansione e prosegue attraverso l’evaporatore e la linea di aspirazione fino all’ingresso del compressore.

Per convenzione, i manometri per la refrigerazione utilizzano il rosso per il lato di alta pressione e il blu per il lato di bassa pressione. Questi colori facilitano l’identificazione, ma il tecnico deve comunque verificare che i tubi flessibili siano collegati correttamente e che il gruppo manometrico e i tubi siano adatti al refrigerante e alla pressione di esercizio.

Il compressore e il dispositivo di espansione creano la differenza di pressione che permette al ciclo di funzionare. Tuttavia, l’alta pressione non implica automaticamente che ogni punto del lato di alta pressione abbia la stessa temperatura. La temperatura del refrigerante cambia notevolmente durante il desurriscaldamento, la condensazione e il sottoraffreddamento.

Come leggere il diagramma pressione-entalpia

Un diagramma pressione-entalpia, generalmente abbreviato in diagramma p-h, rappresenta due proprietà principali:

• Pressione sull’asse verticale, generalmente espressa come pressione assoluta su scala logaritmica
• Entalpia specifica sull’asse orizzontale, normalmente espressa in kJ/kg

L’entalpia rappresenta il contenuto energetico del refrigerante per unità di massa. La differenza di entalpia tra due punti è particolarmente utile perché permette ai tecnici di calcolare la potenza frigorifera dell’evaporatore, il calore ceduto dal condensatore e il lavoro del compressore.

Ogni refrigerante ha il proprio diagramma p-h. Un diagramma dell’R-410A non può essere utilizzato per R-134a, R-32, ammoniaca o un altro refrigerante, perché ciascuno presenta proprietà termodinamiche diverse.

L’elemento più riconoscibile è la campana di saturazione, che divide il diagramma in tre regioni principali:

• Regione del liquido sottoraffreddato o compresso: a sinistra della campana
• Regione bifase: sotto la campana, contenente liquido e vapore
• Regione del vapore surriscaldato: a destra della campana

Il limite sinistro è la curva del liquido saturo. Il limite destro è la curva del vapore saturo.

Liquido saturo, titolo del vapore e vapore saturo

Sulla curva del liquido saturo, il refrigerante è liquido e si trova nella condizione in cui sta per iniziare l’ebollizione. Questa condizione limite è spesso chiamata punto di bolla, perché l’aggiunta di energia produce la prima bolla di vapore.

All’interno della campana di saturazione, liquido e vapore coesistono. La proporzione di vapore è indicata dal titolo del refrigerante, ossia dalla frazione massica di vapore:

• Un titolo pari a 0 indica liquido saturo
• Un titolo pari a 0,5 indica che circa il 50% della massa è costituito da vapore
• Un titolo pari a 1 indica vapore saturo

Il titolo è definito solo nella regione bifase. Non deve essere applicato al liquido sottoraffreddato o al vapore surriscaldato.

Sulla curva del vapore saturo, l’ultima parte di liquido è appena evaporata. Quando ci si avvicina a questa curva dal lato del vapore durante la condensazione, questa condizione limite è chiamata punto di rugiada, perché un ulteriore raffreddamento produce la prima goccia di liquido.

“Lo stato del refrigerante dipende dalla pressione e dalla temperatura.”

Per un refrigerante puro in condizioni di saturazione, la pressione determina la temperatura di saturazione. Molte miscele refrigeranti presentano uno scorrimento di temperatura, per cui le temperature del punto di bolla e del punto di rugiada sono diverse. L’R-410A è una miscela quasi azeotropica e presenta solo un piccolo scorrimento di temperatura, ma per effettuare misurazioni precise i tecnici devono comunque utilizzare i dati corretti del produttore.

Comprendere il sottoraffreddamento

Il sottoraffreddamento si verifica quando il refrigerante liquido viene raffreddato al di sotto della sua temperatura di saturazione alla pressione di condensazione misurata. In un diagramma p-h, il liquido sottoraffreddato si trova a sinistra della curva del liquido saturo.

Ad esempio, se la temperatura di saturazione corrispondente alla pressione nella linea del liquido è di 40 °C e la temperatura misurata nella linea del liquido è di 35 °C:

Sottoraffreddamento = 40 °C − 35 °C = 5 K

Un sottoraffreddamento adeguato contribuisce a garantire che al dispositivo di espansione arrivi refrigerante interamente liquido. Un sottoraffreddamento insufficiente può indicare una quantità insufficiente di refrigerante, una caduta di pressione eccessiva, prestazioni inadeguate del condensatore o la presenza di gas flash nella linea del liquido. Le letture devono sempre essere interpretate tenendo conto della portata d’aria, del carico, delle condizioni ambientali e delle specifiche del produttore.

Comprendere il surriscaldamento

Il surriscaldamento è la differenza tra la temperatura del vapore e la temperatura di saturazione corrispondente alla sua pressione. Il vapore surriscaldato si trova a destra della curva del vapore saturo.

Se la temperatura di saturazione in evaporazione è di 5 °C e la temperatura della linea di aspirazione è di 11 °C:

Surriscaldamento = 11 °C − 5 °C = 6 K

Il surriscaldamento all’uscita dell’evaporatore conferma che l’evaporazione è stata completata. Contribuisce inoltre a proteggere il compressore dall’ingresso di refrigerante liquido. Un surriscaldamento eccessivo può indicare un’alimentazione insufficiente dell’evaporatore, un flusso di refrigerante limitato, una carica insufficiente o uno scambio termico inadeguato. Un surriscaldamento molto basso può indicare un’alimentazione eccessiva o il rischio di ritorno di liquido al compressore.

Pressione manometrica e pressione assoluta

I gruppi manometrici utilizzati per l’assistenza indicano normalmente la pressione manometrica, identificata come PSIG o bar(g). La pressione manometrica è misurata rispetto alla pressione atmosferica circostante.

I diagrammi termodinamici richiedono generalmente la pressione assoluta, identificata come PSIA o bar(a). La pressione assoluta è misurata rispetto al vuoto perfetto.

La relazione è:

Pressione assoluta = pressione manometrica + pressione atmosferica locale

Al livello del mare, la pressione atmosferica standard è di circa 14,7 psi o 1,013 bar. Pertanto, una lettura manometrica di 100 PSIG corrisponde a circa 114,7 PSIA in condizioni standard al livello del mare.

La pressione atmosferica varia con l’altitudine e le condizioni meteorologiche, quindi 14,7 psi è un’approssimazione e non una correzione universale. Soprattutto, non bisogna mai confondere la scala manometrica con quella assoluta quando si riporta sul diagramma una condizione dell’impianto.

Seguire le quattro trasformazioni sul diagramma

Il ciclo frigorifero si presenta come quattro trasformazioni collegate:

1. Compressione: il vapore surriscaldato a bassa pressione diventa vapore ad alta pressione e ad alta temperatura. Pressione, temperatura ed entalpia aumentano.
2. Condensazione: il calore viene ceduto ad alta pressione. Il refrigerante viene desurriscaldato, condensato ed eventualmente sottoraffreddato.
3. Espansione: il refrigerante attraversa il dispositivo di regolazione del flusso. La pressione diminuisce bruscamente mentre l’entalpia rimane approssimativamente costante.
4. Evaporazione: la miscela liquido-vapore a bassa pressione assorbe calore, bolle e normalmente esce come vapore surriscaldato.

Un impianto reale non segue linee perfettamente ideali. Le perdite di pressione, l’inefficienza del compressore, lo scambio termico nelle tubazioni e le variazioni del carico influenzano tutti il ciclo misurato.

Rilevanza per i gas fluorurati e il certificato A1 dell’UE

Nel regolamento (UE) 2024/573, l’art. 4 stabilisce gli obblighi di prevenire le emissioni e riparare le perdite rilevate senza indebito ritardo. L’art. 5 stabilisce i requisiti per i controlli delle perdite utilizzando le tonnellate di CO2 equivalente per i gas elencati nell’allegato I e la massa per i gas elencati nell’allegato II, sezione 1, in funzione delle apparecchiature interessate e delle esenzioni. L’art. 10 riguarda la formazione e la certificazione del personale che svolge le attività regolamentate. Si veda il regolamento (UE) 2024/573.

Comprendere gli stati del refrigerante aiuta ad adempiere a questi obblighi. Permette al tecnico di evitare il rilascio di liquido, recuperare correttamente il refrigerante, identificare condizioni di funzionamento anomale e distinguere i possibili problemi di carica dai problemi di portata d’aria o dai guasti dei componenti.

L’allegato I elenca i gas fluorurati a effetto serra e i relativi potenziali di riscaldamento globale. Per miscele come l’R-410A, il GWP della miscela viene calcolato utilizzando il metodo dell’allegato VI e i valori dei componenti. Il GWP comunemente indicato per l’R-410A è 2088, il che rende particolarmente importanti la prevenzione delle emissioni e il corretto recupero. Si vedano gli allegati I e VI del regolamento (UE) 2024/573.

Per i candidati al certificato A1 dell’UE sui gas fluorurati, la conoscenza del diagramma p-h è utile per l’argomento Termodinamica e il ciclo frigorifero, nonché per gli ambiti della prova pratica che riguardano:

• Relazioni tra pressione e temperatura
• Cambiamenti di fase del refrigerante
• Uso sicuro del gruppo manometrico
• Funzionamento di compressore, condensatore ed evaporatore
• Prestazioni del dispositivo di espansione
• Surriscaldamento e sottoraffreddamento
• Prevenzione delle perdite, recupero e gestione dei refrigeranti

I candidati devono anche conoscere i diversi certificati previsti dal regolamento di esecuzione (UE) 2024/2215. Il certificato A1 copre le attività regolamentate che coinvolgono gas fluorurati e idrocarburi, indipendentemente dalla quantità di carica. Il certificato A2 copre tali attività per apparecchiature contenenti meno di 3 kg, oppure meno di 6 kg per gli impianti ermeticamente sigillati ed etichettati. Il certificato D copre il recupero dei gas fluorurati entro tali limiti di carica. Il certificato E copre i controlli delle perdite di gas fluorurati senza aprire il circuito frigorifero. Si veda l’art. 3 del regolamento di esecuzione (UE) 2024/2215.

Come F-Gas Pro – Preparazione all’esame A1 aiuta nel ripasso

F-Gas Pro – Preparazione all’esame A1 aiuta a ripassare concetti come saturazione, entalpia, surriscaldamento e sottoraffreddamento. L’app include oltre 540 domande in stile esame suddivise in 15 argomenti, per ripassare la termodinamica insieme alla normativa, ai controlli delle perdite, al recupero e agli argomenti dedicati ai singoli componenti.

È possibile esercitarsi per argomento, svolgere simulazioni d’esame a tempo, ripassare con schede di ripasso e consultare spiegazioni dettagliate per ogni risposta. L’app include anche 12 calcolatori e il monitoraggio dei progressi. È disponibile per iOS e Android. È uno strumento di studio indipendente, non è affiliato ad alcun organismo di certificazione e non sostituisce un corso di formazione approvato o un esame.