Pressione-entalpia senza stress: il diagramma p-h per l’esame

Il diagramma pressione-entalpia può essere difficile da interpretare all’inizio. Contiene curve, linee inclinate e numeri piccoli. Leggere una famiglia di linee alla volta lo rende più comprensibile.

Eugene Silberstein, che ha oltre 40 anni di esperienza nel settore e oggi dirige la formazione tecnica presso l’ESCO Institute, ha costruito un intero corso attorno a questa difficoltà. Introduce l’argomento con questa osservazione:

Se cambiamo il modo in cui guardiamo le cose, le cose che guardiamo cambiano.

Il diagramma non è diventato più semplice. A cambiare è il modo di affrontarlo. Di seguito spieghiamo il diagramma p-h una famiglia di linee alla volta, per poi collegarlo alle conoscenze sul ciclo frigorifero richieste per l’esame del certificato A1 UE per i gas fluorurati.

 

Perché rappresentare un impianto sul diagramma?

Sul posto si raccolgono informazioni frammentarie. Ci si sposta all’unità di trattamento aria per una lettura, all’esterno presso l’unità condensante per un’altra, poi di nuovo all’interno per la temperatura dell’aria di mandata. Ogni misura descrive una parte dell’impianto.

Un tracciato p-h completo riunisce queste misure in un’unica rappresentazione dell’intero impianto. Da questo solo diagramma è possibile:

• Stimare l’effetto frigorifero e la potenza frigorifera dell’impianto
• Stimare l’efficienza (COP e, a partire da questo, EER e SEER)
• Calcolare la portata massica di refrigerante per kW di potenza frigorifera
• Determinare la portata volumetrica del compressore
• Identificare lo stato e il titolo del refrigerante in qualsiasi punto del circuito
• Diagnosticare anomalie di carica e del flusso d’aria dalla forma del tracciato

C’è anche una ragione pratica per cui questo è importante nella preparazione alla certificazione. Gli strumenti intelligenti e le app diagnostiche oggi utilizzati dai tecnici si basano sulla matematica del diagramma p-h. Comprendere il diagramma aiuta a interpretare ciò che questi strumenti segnalano quando un impianto offre prestazioni inferiori al previsto.

 

Scomporre il diagramma nelle sue parti

Il diagramma è più facile da interpretare quando si esamina una famiglia di linee alla volta.

Le linee a pressione costante sono orizzontali. La pressione si trova sull’asse verticale. Spostandosi a sinistra o a destra la pressione rimane invariata; salendo aumenta, scendendo diminuisce. Un’avvertenza: l’asse verticale indica la pressione assoluta, non la pressione manometrica. Per ottenere un valore vicino a quello assoluto, aggiungere circa 1 bar (14,7 psi) alla lettura del manometro.

Le linee a entalpia costante sono verticali. L’entalpia — il contenuto termico — si trova sull’asse orizzontale. Salendo o scendendo lungo una linea verticale il contenuto termico rimane invariato. Spostandosi a destra l’entalpia aumenta; spostandosi a sinistra diminuisce.

Entalpia è una parola ricercata per indicare il calore.

La definizione è tutta qui. La temperatura indica l’intensità del calore; l’entalpia ne indica la quantità, in kJ per chilogrammo.

La curva di saturazione si trova al centro — talvolta viene chiamata curva a impronta di pollice. Divide il diagramma in tre regioni:

Regione	Posizione	Che cosa avviene
Liquido sottoraffreddato	A sinistra della curva	100% liquido, al di sotto della temperatura di saturazione — uscita del condensatore
Miscela satura	Sotto la curva	Coesistenza di liquido e vapore — cambiamento di fase nell’evaporatore e nel condensatore
Vapore surriscaldato	A destra della curva	100% vapore, al di sopra della temperatura di saturazione — uscita dell’evaporatore, linea di aspirazione, compressore

Le linee a titolo costante si trovano sotto la curva di saturazione e rappresentano ciascuna un incremento del 10% nella ripartizione tra liquido e vapore. Il limite sinistro corrisponde al 100% di liquido, quello destro al 100% di vapore. Segnando un punto qualsiasi sotto la curva è possibile leggerne la composizione — per esempio, 80% di liquido e 20% di vapore all’ingresso dell’evaporatore.

Le linee a temperatura costante sono orizzontali sotto la curva di saturazione per un refrigerante monocomponente come R-134a, nel quale a una pressione corrisponde esattamente una temperatura. Per una miscela zeotropica — i refrigeranti della serie 400 — queste linee sono inclinate. Questa inclinazione è lo scorrimento di temperatura, che si può misurare direttamente: tracciare una linea orizzontale attraverso la curva di saturazione, leggere la temperatura nei punti di intersezione con i due lati e calcolare la differenza. A destra della curva, le linee a temperatura costante si piegano bruscamente verso il basso.

Le linee a volume specifico costante attraversano con una lieve inclinazione la regione del vapore surriscaldato e indicano il volume occupato da un chilogrammo di refrigerante in quelle condizioni. Poiché il compressore è una pompa a volume fisso, conoscere il volume specifico all’ingresso del compressore permette di convertire la cilindrata in portata massica effettiva del refrigerante — un passaggio fondamentale nel calcolo della potenza frigorifera.

Le linee a entropia costante sono quelle più ripide. Silberstein spiega l’entropia attraverso il concetto di reversibilità. Comprimendo il refrigerante in un cilindro la pressione aumenta; lasciando tornare indietro il pistone la pressione ritorna al valore iniziale. La compressione è reversibile, quindi la compressione ideale segue una linea a entropia costante. Facendo sciogliere un cubetto di ghiaccio e poi riducendo nuovamente l’apporto di calore, l’acqua non torna a essere ghiaccio. Questo processo attraversa le linee di entropia.

 

I quattro processi lungo il circuito

Seguiamo ora il ciclo:

1. Compressione — la linea si sposta verso l’alto e a destra, seguendo una linea a entropia costante o procedendo parallelamente a essa. La pressione e l’entalpia aumentano, perché il compressore aggiunge al refrigerante sia il calore di compressione sia il calore del motore.
2. Condensazione — la linea procede da destra a sinistra nella parte superiore. Si noti che inizia nella regione del vapore surriscaldato: nella linea di scarico e nella prima parte del condensatore avviene il desurriscaldamento, non la condensazione. Il refrigerante attraversa poi la curva di saturazione e condensa; infine il tracciato supera il limite sinistro entrando nella regione del liquido sottoraffreddato — quel piccolo triangolo nell’angolo superiore sinistro rappresenta il sottoraffreddamento.
3. Espansione — una linea perfettamente verticale scende attraverso il dispositivo di espansione. Pressione e temperatura diminuiscono drasticamente; l’entalpia non cambia affatto. Non viene aggiunto né sottratto calore, quindi la linea non può spostarsi lateralmente.
4. Evaporazione — la linea procede da sinistra a destra nella parte inferiore. Inizia sotto la curva di saturazione, in genere con circa l’80% di liquido e il 20% di vapore, e termina al di fuori della curva, nella regione del vapore surriscaldato. Tra l’uscita dell’evaporatore e l’ingresso del compressore si trova il breve segmento della linea di aspirazione — e più è corto, meglio è.

Quest’ultimo punto ha una conseguenza diretta sul campo. Rimuovendo l’isolamento da una linea di aspirazione e tracciando nuovamente il ciclo dell’impianto, il segmento della linea di aspirazione si allunga mentre l’intera linea di compressione si sposta a destra. Il tracciato mostra come il surriscaldamento aggiuntivo nella linea di aspirazione riduca l’efficienza.

 

L’efficienza spiegata senza matematica

L’efficienza è il rapporto tra energia utile ottenuta ed energia fornita. Nella refrigerazione:

• Ciò che si ottiene è l’effetto frigorifero netto (NRE) — il calore assorbito nell’evaporatore.
• Ciò che costa è il calore di compressione (HOC) — l’energia aggiunta dal compressore, più il calore indesiderato assorbito nella linea di aspirazione.

Coefficiente di prestazione = NRE ÷ HOC. Le conversioni e le relazioni approssimative seguenti utilizzano le convenzioni di valutazione statunitensi, con l’EER espresso in BTU/h per watt:

• EER = COP × 3,412 (la conversione tra BTU/h e watt)
• SEER ≈ EER × 1,2
• EER2 ≈ 0,95 × EER, e SEER2 ≈ 0,95 × SEER

Queste relazioni approssimative non determinano gli indici di efficienza stagionale dell’UE. Tracciare cinque punti e leggere cinque valori di entalpia permette di valutare le prestazioni nelle condizioni operative misurate.

 

Riconoscere le anomalie dalla forma

Il diagramma può aiutare nella diagnosi delle anomalie. Tracciando il ciclo di un impianto in buone condizioni e poi quello di un impianto con un’anomalia, la direzione dello spostamento indica la categoria del problema:

Anomalia	Come si sposta il tracciato	Segnali caratteristici
Sovraccarica	Verso l’alto e a sinistra	Il triangolo di sottoraffreddamento cresce; il punto di ingresso del compressore si avvicina alla curva (il surriscaldamento diminuisce)
Carica insufficiente	Verso il basso e a destra	Il triangolo di sottoraffreddamento si riduce; il surriscaldamento aumenta
Alimentazione eccessiva dal dispositivo di espansione	Il tracciato diventa più basso	Meno refrigerante sul lato di alta pressione, più refrigerante sul lato di bassa pressione
Alimentazione insufficiente / restrizione nella linea del liquido	Il tracciato diventa più alto	Eccesso sul lato di alta pressione, carenza sul lato di bassa pressione
Anomalia del flusso d’aria sul lato di bassa pressione (evaporatore)	Verso il basso e a sinistra	La pressione di aspirazione e la temperatura di saturazione diminuiscono
Anomalia del flusso d’aria sul lato di alta pressione (condensatore)	Verso l’alto e a destra	La pressione di scarico e la temperatura di condensazione aumentano

I problemi di flusso d’aria producono spostamenti dal basso a sinistra verso l’alto a destra, mentre i problemi di carica producono spostamenti dall’alto a sinistra verso il basso a destra.

Le due diagonali indicano due categorie di anomalie. Questa osservazione rende il diagramma un utile strumento diagnostico.

Aiuta anche a spiegare perché un filtro sporco riduce le prestazioni. Al refrigerante viene ceduto meno calore, quindi la pressione di aspirazione diminuisce, la temperatura di saturazione diminuisce, l’effetto frigorifero netto diminuisce, il calore di compressione aumenta e il COP diminuisce. Comprendere queste variazioni permette una diagnosi più precisa.

 

Il collegamento con il programma sui gas fluorurati

L’art. 10 del regolamento (UE) 2024/573 stabilisce i requisiti di certificazione e formazione. L’art. 4 e l’allegato I del regolamento di esecuzione (UE) 2024/2215 definiscono i requisiti dell’esame teorico e pratico per il certificato A1. Il diagramma p-h aiuta a comprendere diversi argomenti dell’edizione UE:

• Termodinamica e ciclo frigorifero — saturazione, surriscaldamento, sottoraffreddamento, calore latente e sensibile, relazione pressione-temperatura e scorrimento di temperatura nelle miscele zeotropiche
• Compressori, Condensatori, Evaporatori e Valvole di espansione — il ruolo di ciascun componente e la sua corrispondenza con un segmento del tracciato
• Alternative in pratica: CO₂, ammoniaca ed efficienza energetica — la prova teorica A1 include almeno una domanda sull’efficienza energetica delle apparecchiature, e un impianto che funziona con un COP basso consuma più elettricità a parità di potenza frigorifera
• Ricerca delle perdite — l’allegato I include l’interpretazione dei diagrammi p-h per i controlli indiretti delle perdite; un impianto con carica insufficiente può mostrare un tracciato spostato verso il basso e a destra, con surriscaldamento elevato e sottoraffreddamento ridotto

L’allegato I include esplicitamente i processi termodinamici e l’interpretazione dei diagrammi p-h. Tra le domande di ripasso pertinenti rientrano quale processo sia isoentalpico, dove avvenga il desurriscaldamento nel condensatore, che cosa significhi lo scorrimento di temperatura per una miscela e che cosa accada al surriscaldamento quando un impianto è sovraccarico. Il diagramma aiuta a spiegare ogni risposta.

 

Come può essere utile F-Gas Exam Prep

La termodinamica e l’interpretazione dei diagrammi p-h fanno parte delle conoscenze richieste per l’esame del certificato A1 UE per i gas fluorurati.

L’app F-Gas Pro – Preparazione all’esame A1 offre oltre 540 domande in stile esame su 15 argomenti, tra cui Termodinamica e ciclo frigorifero. Le domande riguardano saturazione, surriscaldamento, sottoraffreddamento, calore latente, scorrimento di temperatura ed efficienza dell’impianto. Ogni risposta è accompagnata da una spiegazione dettagliata per favorire la comprensione.

L’app include simulazioni d’esame a tempo, schede di ripasso e 12 calcolatori, oltre a esercitazioni per argomento e monitoraggio dei progressi. È disponibile su iOS e Android. È uno strumento di studio indipendente e non sostituisce un corso di formazione approvato né un esame.

Utilizzare un diagramma p-h per un refrigerante con cui si lavora abitualmente. Tracciare il ciclo di un impianto di cui si conosce il buon funzionamento. Poi tracciare quello di un impianto appena riparato. Confrontare i tracciati con le proprie letture aiuta a collegare la teoria al lavoro pratico.