Il ciclo frigorifero ideale sul diagramma pressione-entalpia

Osservando i due manometri di una centrale di compressori in una sala macchine, può capitare di chiedersi come quei due valori siano collegati all’intero impianto. Il diagramma pressione-entalpia spiega questa relazione. Questa guida si basa su un modulo didattico del professor R. Paul Singh, che mostra come costruire un ciclo ideale a compressione di vapore su un diagramma p-h partendo soltanto da due pressioni o due temperature.

Saper leggere questo diagramma è utile per l’esame UE sui gas fluorurati per il certificato A1. Aiuta a comprendere gli stati del refrigerante e i processi termodinamici del ciclo frigorifero.

 

Pressione e temperatura: una relazione fissa

Per qualsiasi refrigerante puro, la pressione di saturazione e la temperatura di saturazione hanno una relazione fissa. Sul diagramma p-h, la pressione è riportata sull’asse verticale a sinistra in bar e l’entalpia sull’asse orizzontale in basso in kJ/kg. Tracciando una linea orizzontale a una qualsiasi pressione, si trova la stessa temperatura di saturazione indicata nei punti in cui la linea interseca la curva del liquido saturo a sinistra e la curva del vapore saturo a destra.

“Per qualsiasi sostanza chimica, e naturalmente qui ci occupiamo dei refrigeranti, esiste una relazione ben definita tra temperatura e pressione.”

Questa relazione fissa è alla base del funzionamento dei regoli pressione-temperatura e permette di riportare sui manometri le scale di temperatura per R-410A o R-134a accanto alla scala della pressione. Queste conoscenze sono trattate nell’argomento “Termodinamica” dell’edizione UE. L’allegato I del regolamento di esecuzione (UE) 2024/2215 stabilisce i requisiti di termodinamica per il certificato A1 UE sui gas fluorurati ai sensi del regolamento (UE) 2024/573.

 

Due pressioni definiscono l’intero ciclo

Nella sala macchine di qualsiasi magazzino refrigerato si trovano due manometri sul gruppo compressori. Uno indica la pressione del lato di bassa pressione, cioè quella dell’evaporatore. L’altro indica la pressione del lato di alta pressione, cioè quella del condensatore. Ogni impianto a compressione di vapore, da un refrigeratore per bottiglie a una cella frigorifera, funziona tra questi due livelli.

“In qualsiasi impianto frigorifero ci sono sempre due pressioni. Una è la bassa pressione e l’altra è l’alta pressione.”

Grazie alla relazione pressione-temperatura, una domanda d’esame o una specifica di progetto può fornire i dati in una delle due forme:

• Due pressioni: pressione di aspirazione e pressione di scarico, solitamente in bar assoluti.
• Due temperature: temperatura di evaporazione e temperatura di condensazione, in °C.

È sufficiente una qualsiasi delle due coppie. Se vengono fornite le temperature, si individuano sulle curve di saturazione e si procede orizzontalmente. Se vengono fornite le pressioni, si tracciano direttamente le linee orizzontali. L’obiettivo di quasi tutti i calcoli è lo stesso: trovare i tre valori di entalpia che descrivono il ciclo, comunemente indicati con H1, H2 e H3.

 

Tracciare il ciclo passo dopo passo

Il professor Singh utilizza come esempio una temperatura di evaporazione di 10 °C e una temperatura di condensazione di 40 °C. Per seguire questi passaggi, tenere a disposizione un diagramma stampato del refrigerante utilizzato.

1. Tracciare la linea dell’evaporatore. Individuare 10 °C sulla curva del liquido saturo e poi sulla curva del vapore saturo. Unire i due punti con una linea orizzontale. Questo è il lato di bassa pressione del ciclo, situato sotto la campana.
2. Tracciare la linea del condensatore. Ripetere il procedimento a 40 °C. Questa linea orizzontale si trova più in alto sul diagramma e indica il lato di alta pressione.
3. Seguire una linea a entropia costante per la compressione. Partire dal punto in cui la linea dell’evaporatore incontra la curva del vapore saturo a destra. Da questo punto, seguire la curva a entropia costante, che sale verso l’esterno e verso destra, fino a raggiungere la linea della pressione del condensatore. Ci si trova ora nella regione del vapore surriscaldato.
4. Tracciare una linea verticale verso il basso per l’espansione. Individuare il punto in cui la linea del condensatore incontra la curva del liquido saturo a sinistra. Tracciare una linea verticale verso il basso fino alla linea della pressione dell’evaporatore. Questa rappresenta la valvola di espansione.

“A volte può essere difficile seguire esattamente una curva a entropia costante, ma occorre cercare di farlo nel modo più preciso possibile, interpolando visivamente tra le linee a entropia costante vicine oppure, se il punto di partenza coincide con il punto da cui una linea a entropia costante parte dalla curva del vapore saturo, seguendo semplicemente quella linea.”

Le linee di entropia sono stampate sul diagramma, ma sono distanziate tra loro, quindi il punto di partenza raramente si troverà esattamente su una di esse. Interpolare a occhio tra le due curve più vicine e mantenere il tratto della matita parallelo a esse mentre si procede verso l’alto. Esercitarsi con un diagramma reale rende l’operazione più semplice.

 

Leggere il ciclo: il significato di ogni linea

Una volta unite le quattro linee, si ottiene il percorso chiuso di un ciclo ideale. Contrassegnando i punti con E, A, B, C e D, ogni tratto corrisponde direttamente a un componente del circuito reale.

Tratto	Componente	Processo
Da E ad A	Evaporatore	Il refrigerante bolle a bassa pressione costante, assorbendo calore dall’ambiente
Da A a B	Compressore	Il vapore viene compresso lungo una linea a entropia costante fino alla regione del vapore surriscaldato
Da B a C	Condensatore (desurriscaldamento)	Il surriscaldamento viene eliminato ad alta pressione costante finché il vapore raggiunge la saturazione
Da C a D	Condensatore (condensazione)	Il vapore condensa in liquido saturo ad alta pressione costante
Da D a E	Valvola di espansione	La pressione diminuisce a entalpia costante fino a tornare alla pressione dell’evaporatore

Due aspetti meritano particolare attenzione nell’interpretazione del ciclo.

Il punto B è nella regione del vapore surriscaldato. Lo scarico del compressore si trova sempre a destra della curva del vapore saturo. Prima che possa iniziare la condensazione, occorre eliminare il surriscaldamento. Molti manuali considerano l’intero tratto da B a D come lo scambio termico totale del condensatore, ed è corretto farlo nei calcoli, ma è necessario sapere che la prima parte è un desurriscaldamento e soltanto la seconda è un vero cambiamento di fase.

L’espansione è una linea verticale. La discesa da D a E viene tracciata a entalpia costante. Durante il passaggio del liquido attraverso la valvola non viene scambiato calore né viene compiuto lavoro, quindi l’entalpia in E è uguale a quella in D. Il video descrive questo processo come adiabatico. Più precisamente, la laminazione attraverso una valvola è isoentalpica, ed è l’ipotesi di entalpia costante a produrre la linea verticale sul diagramma. In entrambi i casi, il risultato pratico è lo stesso: H all’ingresso della valvola è uguale a H all’uscita.

“L’entalpia nel punto D e nel punto E è la stessa, quindi il processo di espansione viene sempre tracciato come una linea verticale.”

 

Perché i tre valori di entalpia sono importanti

Lo scopo della costruzione del ciclo è leggere i valori di entalpia sull’asse orizzontale. Con soli tre numeri è possibile calcolare le seguenti grandezze.

• L’effetto frigorifero è l’aumento di entalpia attraverso l’evaporatore, da E ad A. È il raffreddamento utile per chilogrammo di refrigerante in circolazione.
• Il lavoro del compressore è l’aumento di entalpia da A a B. È l’energia fornita per chilogrammo di refrigerante in circolazione.
• Il calore ceduto dal condensatore è la diminuzione di entalpia da B a D, che deve essere uguale alla somma delle altre due grandezze.
• Il coefficiente di prestazione è l’effetto frigorifero diviso per il lavoro del compressore.

Il diagramma rende visibili i compromessi progettuali. Aumentando la temperatura di condensazione, la linea superiore si sposta verso l’alto, la linea di compressione si allunga e la linea verticale di espansione si sposta verso destra, riducendo l’effetto frigorifero. Abbassando la temperatura di evaporazione, la linea inferiore scende, allungando nuovamente la linea di compressione. Ecco perché un condensatore sporco o un evaporatore ricoperto di ghiaccio aumenta il consumo energetico.

 

Cosa richiede l’esame sui gas fluorurati

L’esame UE sui gas fluorurati per il certificato A1 verte sulle competenze minime elencate nell’allegato I del regolamento di esecuzione (UE) 2024/2215. L’argomento “Termodinamica” dell’edizione UE tratta i requisiti che prevedono di:

• Conoscere le unità ISO di base per temperatura, pressione, massa, densità ed energia.
• Comprendere la relazione pressione-temperatura dei refrigeranti e il suo utilizzo per verificare surriscaldamento e sottoraffreddamento.
• Utilizzare tabelle e diagrammi, compreso il diagramma p-h, per interpretare gli stati del refrigerante durante i controlli indiretti delle perdite e le verifiche del funzionamento dell’impianto.
• Descrivere la funzione dei quattro componenti principali: compressore, condensatore, dispositivo di espansione ed evaporatore.

Per il ripasso, esercitarsi a identificare il processo rappresentato da una linea contrassegnata su un diagramma p-h. Verificare dove si trovano il vapore surriscaldato, il liquido saturo e la miscela bifase rispetto alla campana. Occorre inoltre comprendere cosa succede al ciclo se la pressione di condensazione aumenta e quale linea viene tracciata a entropia costante.

Consiglio per l’esame: Ricordare le forme. Le linee orizzontali sono a pressione costante (evaporatore e condensatore). La linea inclinata verso l’alto a destra è a entropia costante (compressore). La linea verticale è a entalpia costante (valvola di espansione). Riconoscere queste quattro linee aiuta a interpretare il ciclo senza calcoli numerici.

Punto chiave: Il punto B, lo scarico del compressore, si trova sempre nella regione del vapore surriscaldato. Il punto D, l’uscita del condensatore, si trova sulla curva del liquido saturo o appena alla sua sinistra. Il punto E, dopo l’espansione, si trova all’interno della campana come miscela liquido-vapore.

 

Come si inserisce F-Gas Exam Prep nella preparazione

La preparazione all’esame UE sui gas fluorurati per il certificato A1 richiede esercizio nell’interpretazione dei diagrammi p-h, insieme al ripasso del regolamento (UE) 2024/573 e delle procedure di recupero del refrigerante.

F-Gas Pro – Preparazione all’esame A1 offre oltre 540 domande in stile esame su 15 argomenti, ciascuna con una spiegazione dettagliata. L’argomento “Termodinamica” aiuta a ripassare la relazione pressione-temperatura, i processi del ciclo e gli stati del refrigerante.

L’app include esercitazioni per argomento, simulazioni d’esame a tempo, schede di ripasso, monitoraggio dei progressi e 12 calcolatori. È disponibile su iOS e Android in inglese, tedesco, francese, italiano, spagnolo e polacco.

Esercitarsi a tracciare il ciclo ideale partendo da due temperature e a identificare lo stato in ciascun vertice. L’app è un supporto indipendente allo studio. Non è affiliata ad alcun organismo di certificazione e non sostituisce un corso di formazione approvato né un esame.