Leggere il diagramma pressione-entalpia: guida pratica per i candidati all’esame sui gas fluorurati

Chiedendo a un gruppo di tecnici frigoristi a che cosa serva il diagramma pressione-entalpia, si ottengono due risposte. Metà dirà che è uno strumento di progettazione per chi lavora alla scrivania. L’altra metà ammetterà, a bassa voce, che una volta compreso ha iniziato a diagnosticare gli impianti più rapidamente. Il secondo gruppo ha ragione. Il diagramma p-h è la rappresentazione più chiara di ciò che accade al refrigerante tra lo scarico del compressore e l’uscita dell’evaporatore. Ogni misura del surriscaldamento effettuata durante un intervento corrisponde a un punto su quel diagramma, anche senza tracciarlo.

Questa guida illustra come costruire il diagramma, zona per zona, seguendo l’approccio utilizzato in un noto modulo didattico di termodinamica. Basta costruirlo una volta con le proprie mani per non doverlo più imparare a memoria.

Impostare gli assi

Si parte da due assi. L’asse verticale rappresenta la pressione, ed è qui che molti principianti incontrano la prima difficoltà:

“Si noti che la scala sarà logaritmica. Abbiamo quindi 0,1, 1, 10 e 100, e la pressione è espressa in bar.”

La spaziatura logaritmica è una scelta precisa. Una centrale frigorifera a bassa temperatura può evaporare a 0,6 bar assoluti, mentre la pressione di scarico supera i 25 bar. Su una scala lineare, l’intero lato di bassa pressione sarebbe schiacciato vicino all’origine. La scala logaritmica offre una risoluzione utile su entrambi i lati dell’impianto.

L’asse orizzontale rappresenta l’entalpia specifica in kJ per chilogrammo di refrigerante e utilizza una normale scala lineare — 0, 100, 200, 300 e così via. L’entalpia è semplicemente il contenuto di energia termica per chilogrammo. La distanza orizzontale tra due punti del diagramma è il calore trasferito durante quel processo: ecco perché il diagramma rende così immediati i calcoli della potenza frigorifera.

Un aspetto da ricordare all’esame: le pressioni sul diagramma p-h sono assolute, non manometriche. Il gruppo manometrico misura la pressione manometrica. Prima di cercare un punto sul diagramma, occorre aggiungere circa 1 bar per convertirla in pressione assoluta.

La curva a campana e le zone ai suoi lati

Si passa poi alla forma che tutti riconoscono: una curva a campana inclinata verso destra, posta al centro del diagramma.

Il ramo sinistro è la linea del liquido saturo. Ogni punto su questa linea rappresenta refrigerante interamente liquido, ma sul punto di iniziare a bollire. A sinistra si trova la zona del liquido sottoraffreddato — liquido mantenuto al di sotto della temperatura di saturazione corrispondente alla sua pressione. È la condizione desiderata nella linea del liquido, perché il liquido sottoraffreddato non vaporizza istantaneamente durante il percorso verso il dispositivo di espansione.

Il ramo destro è la linea del vapore saturo. Ogni punto su questa linea rappresenta vapore al 100%, senza alcun surriscaldamento. A destra si trova la zona del vapore surriscaldato, dove il gas è stato riscaldato oltre la sua temperatura di saturazione. È la zona in cui si collocano sia la linea di aspirazione sia quella di scarico.

I due rami si incontrano in alto nel punto critico. Al di sopra di quella pressione e di quella temperatura non esiste più una distinzione significativa tra liquido e vapore, e nessun aumento di pressione può far condensare il refrigerante. Ecco perché gli impianti transcritici a CO₂ si comportano in modo così diverso dagli impianti convenzionali a HFC: sul lato di alta pressione funzionano al di sopra del punto critico, quindi non avviene condensazione, ma solo raffreddamento del gas.

All’interno della campana si trova la zona bifase: liquido e vapore coesistono. Quasi tutti i processi utili alla refrigerazione avvengono all’interno di questa campana.

Linee di temperatura: tre zone, tre comportamenti

La temperatura si comporta in modo diverso in ciascuna delle tre zone. Comprenderne il motivo permette di ottenere più punti all’esame che imparare a memoria il disegno.

All’interno della campana, le linee di temperatura sono orizzontali. Durante un cambiamento di fase, pressione e temperatura sono strettamente collegate: è la relazione pressione-temperatura usata ogni giorno per convertire una lettura manometrica in temperatura di saturazione. Il video indica le temperature lungo entrambe le curve di saturazione, agli stessi livelli orizzontali:

“Sulla curva del liquido saturo indicheremo -50, -40, 20, 30 e 90… e, mantenendo lo stesso livello orizzontale sul lato destro, scriveremo -50, -40, 20, 30 e 90.”

Stessa pressione, stessa temperatura, sia con un titolo del 5% sia con un titolo del 95%. Tutto il calore immesso serve all’ebollizione, senza aumentare la temperatura.

Nella zona del vapore surriscaldato, le linee a temperatura costante si allontanano dalla curva del vapore saturo, incurvandosi verso il basso e verso destra. Quando anche l’ultima goccia è evaporata, un ulteriore apporto di calore aumenta la temperatura: si tratta di calore sensibile, ed è proprio ciò che la misura del surriscaldamento quantifica.

Nella zona del liquido sottoraffreddato, le linee a temperatura costante sono praticamente verticali. Come sottolinea il video, la maggior parte dei diagrammi pubblicati le omette:

“Sul lato sinistro queste curve non sono effettivamente visibili sul diagramma p-h, ma tracceremo queste linee verticali a partire dai vari valori di temperatura… è sottinteso che le linee verticali che partono da quelle temperature rappresentano linee a temperatura costante in quella zona.”

In termini pratici, questo significa che l’entalpia del liquido sottoraffreddato dipende quasi interamente dalla temperatura e solo in minima parte dalla pressione.

Linee a entropia costante

Dalla curva del vapore saturo partono, inclinate verso destra, le linee a entropia costante. Sono importanti soprattutto per un processo: la compressione.

La compressione ideale è isoentropica, cioè segue una di queste linee. Sul diagramma, il tratto di compressione sale quindi verso destra lungo una linea a entropia costante, dalle condizioni di aspirazione fino alla pressione di scarico. I compressori reali non sono isoentropici: attrito, scambio termico e perdite nelle valvole spostano il punto di scarico effettivo più a destra. Per questo le temperature di scarico reali superano il valore teorico. Lo scarto tra i due esprime il rendimento isoentropico della macchina e spiega perché un compressore usurato, con valvole che non tengono, abbia una temperatura di scarico più elevata di uno in buone condizioni, a parità di condizioni operative.

Linee a titolo costante: leggere la zona bifase

All’interno della campana, una serie di linee si apre a ventaglio dal punto critico verso la base. Sono le linee a titolo costante, talvolta contrassegnate con 10%, 20% e così via fino al 90%.

“Il titolo viene talvolta chiamato anche frazione di vapore. In alcuni esercizi si trova anche questa denominazione.”

Entrambi i nomi descrivono la stessa grandezza: la frazione massica di vapore.

• Titolo dello 0% = linea del liquido saturo. Non è presente alcun vapore.
• Titolo del 100% = linea del vapore saturo. Tutto il refrigerante è vapore, senza liquido residuo.
• Qualsiasi valore intermedio = miscela umida. Con un titolo del 25%, un quarto della massa è vapore e tre quarti sono ancora liquidi.

È qui che il diagramma dimostra la sua utilità nella ricerca dei guasti. Quando il refrigerante liquido esce dal condensatore e attraversa la valvola di espansione, il calo di pressione ne fa vaporizzare istantaneamente una parte. Questo gas flash non produce raffreddamento utile: ha già assorbito il proprio calore latente. Il punto in cui si colloca il refrigerante sul diagramma dopo l’espansione indica esattamente quanto gas flash è presente. Aumentando il sottoraffreddamento del liquido, quel punto si sposta a sinistra, verso un titolo inferiore. Ciò significa che nell’evaporatore è disponibile più liquido da far evaporare, con una maggiore potenza frigorifera a parità di portata massica. Una sola linea illustra così tutto il vantaggio di mantenere un buon sottoraffreddamento.

Analogamente, il processo nell’evaporatore procede da sinistra a destra lungo una linea orizzontale all’interno della campana, passando ad esempio da un titolo del 20% all’ingresso al 100% sulla linea del vapore saturo. Prosegue poi nella zona del vapore surriscaldato per il numero di kelvin di surriscaldamento mantenuto dalla valvola di espansione.

Il ruolo del diagramma nell’esame per il certificato A1 UE sui gas fluorurati

Il diagramma p-h fa parte del programma per il certificato A1 UE sui gas fluorurati previsto dal regolamento di esecuzione (UE) 2024/2215. Nell’edizione UE dell’app riguarda in particolare gli argomenti Termodinamica, Refrigeranti alternativi e Alternative in pratica. Il certificato A1 copre le attività specificate che coinvolgono gas fluorurati e idrocarburi in apparecchiature con qualsiasi quantità di carica.

Il programma richiede ai candidati di utilizzare e interpretare i diagrammi p-h. Le seguenti applicazioni sono rilevanti per prepararsi all’esame:

1. Calore latente e calore sensibile — riconoscere che lo spostamento orizzontale all’interno della campana corrisponde al calore latente, mentre quello nelle zone del vapore surriscaldato e del liquido sottoraffreddato corrisponde al calore sensibile.
2. Surriscaldamento e sottoraffreddamento — sapere in quale zona si misura ciascuno e perché entrambi sono importanti per la protezione del compressore e la potenza frigorifera dell’impianto.
3. L’effetto dell’aumento della pressione di condensazione — un condensatore ostruito aumenta la pressione sul lato di alta, allungando il tratto di compressione, aumentando la temperatura di scarico e riducendo l’effetto frigorifero utile.
4. Proprietà dei refrigeranti — comprendere perché i diagrammi di R-744, R-290 e R-134a siano così diversi per forma e scala.

Esiste anche un aspetto normativo. Il regolamento (UE) 2024/573 impone agli operatori di adottare precauzioni per prevenire il rilascio involontario di gas fluorurati e misure tecnicamente ed economicamente praticabili per ridurre al minimo le perdite. Un impianto che funziona con sottoraffreddamento insufficiente, surriscaldamento elevato o sovraccarica lavora di più, raggiunge temperature maggiori e sollecita giunti e guarnizioni: tutti fattori che aumentano il rischio di perdite. L’art. 4 impone di riparare le perdite rilevate senza indebito ritardo. L’art. 5 stabilisce requisiti e intervalli dei controlli delle perdite in base alla carica espressa in CO₂ equivalente per i gas elencati nell’allegato I, oppure alla massa della carica per i gas elencati nell’allegato II, sezione 1. Comprendere il diagramma p-h aiuta a individuare un’inefficienza prima che si trasformi in un’emissione.

Il diagramma si collega anche alla scelta del refrigerante e alla riduzione al minimo della carica. L’allegato IV stabilisce restrizioni all’immissione sul mercato di determinati prodotti e apparecchiature, mentre l’allegato VII definisce il calendario di riduzione graduale delle quote di HFC. Comprendere il ciclo aiuta i tecnici a valutare le prestazioni dell’impianto quando lavorano con refrigeranti a GWP inferiore e cariche più ridotte.

Fare del diagramma un’abitudine

Non serve portare un diagramma p-h nella cassetta degli attrezzi. Serve averne un’immagine mentale, così da poter collocare sul diagramma le misure rilevate:

• Pressione di aspirazione e temperatura della linea di aspirazione → un punto nella zona del vapore surriscaldato, a destra della linea del vapore saturo. La distanza orizzontale dalla curva rappresenta il surriscaldamento.
• Pressione di scarico e temperatura di scarico → un punto molto a destra e in alto, ben all’interno della zona del vapore surriscaldato.
• Pressione e temperatura della linea del liquido → un punto a sinistra della linea del liquido saturo se è presente sottoraffreddamento; sulla curva se non è presente.

Tre rilevazioni, tre punti: il ciclo di funzionamento è praticamente tracciato. Un tecnico che ragiona in questo modo individua una valvola di espansione parzialmente ostruita o un evaporatore allagato più rapidamente di chi si limita a confrontare i numeri con una tabella.

Come può aiutare F-Gas Exam Prep

L’app F-Gas Pro – Preparazione all’esame A1 supporta la preparazione all’esame per il certificato A1 UE sui gas fluorurati. È disponibile per iOS e Android e comprende:

• Oltre 540 domande in stile esame suddivise in 15 argomenti, tra cui Termodinamica.
• Simulazioni d’esame a tempo per esercitarsi rispettando i limiti di tempo.
• Schede di ripasso ed esercitazioni per argomento per rivedere i concetti chiave.
• 12 calcolatori a supporto dei calcoli tecnici.
• Spiegazioni dettagliate per ogni risposta, per ripassare il principio su cui si basa.

Affrontare le domande di termodinamica tenendo a mente il diagramma permette di collegare la teoria alle misure rilevate sull’impianto. L’app è uno strumento di studio indipendente e non sostituisce un corso di formazione o un esame approvato.