Panoramica
La termodinamica spiega il funzionamento degli impianti di refrigerazione, condizionamento d’aria e delle pompe di calore. Questi principi sono alla base della preparazione al certificato A1 dell’UE ai sensi del regolamento di esecuzione (UE) 2024/2215.
Unità SI e misurazione
- Pressione: pascal (Pa); 1 Pa = 1 N/m². Esattamente 1 bar = 100 kPa.
- Temperatura: kelvin (K). Aggiungere 273,15 alla temperatura in gradi Celsius; 0 K = −273,15 °C. Le due scale hanno incrementi uguali, ma mai valori numerici uguali.
- Energia: joule (J). Potenza: watt (W); 1 W = 1 J/s.
- Massa: chilogrammo (kg). La densità (kg/m³) è il reciproco del volume specifico (m³/kg).
Pressione e temperatura
Pressione assoluta = pressione manometrica + pressione atmosferica, pari a circa 1,013 bar. La pressione manometrica ha come riferimento la pressione atmosferica; la pressione assoluta ha come riferimento il vuoto. Verificare il riferimento di pressione delle tabelle pressione-temperatura specifiche per il refrigerante.
Una pressione più alta aumenta la temperatura di saturazione. Riscaldare un gas confinato a volume costante ne aumenta la pressione. Legge di Dalton: la pressione totale è uguale alla somma delle pressioni parziali; l’aria intrappolata aumenta la pressione di scarico.
- Surriscaldamento: temperatura del vapore meno temperatura di saturazione alla stessa pressione. Quindi −4 °C − (−10 °C) = 6 K. Protegge dai colpi di liquido; un surriscaldamento eccessivo aumenta la temperatura di scarico e riduce la potenza frigorifera.
- Sottoraffreddamento: temperatura di saturazione meno temperatura del liquido. Quindi 40 °C − 35 °C = 5 K. Un maggiore sottoraffreddamento riduce il gas flash e aumenta l’effetto frigorifero.
Misurare contemporaneamente la pressione e la temperatura della tubazione. Per le miscele, utilizzare la temperatura del punto di rugiada per il surriscaldamento e quella del punto di bolla per il sottoraffreddamento. Una valvola di espansione termostatica (TEV) regola il surriscaldamento all’uscita dell’evaporatore.
Trasmissione del calore
- Conduzione: attraverso le pareti delle tubazioni.
- Convezione: attraverso aria o liquido in movimento.
- Irraggiamento: attraverso onde elettromagnetiche.
L’energia si conserva. Il calore fluisce naturalmente dai corpi più caldi a quelli più freddi; la refrigerazione richiede lavoro per invertire questo trasferimento. L’entropia di un sistema isolato aumenta durante i processi irreversibili e rimane costante durante i processi reversibili.
Il ciclo frigorifero
- Compressore: riceve vapore surriscaldato a bassa pressione; allo scarico si hanno la pressione e la temperatura più elevate.
- Condensatore: desurriscalda il vapore, lo condensa e sottoraffredda il liquido. Il calore ceduto è uguale al calore assorbito dall’evaporatore più l’energia di compressione.
- Dispositivo di espansione: riduce la pressione e la temperatura a entalpia approssimativamente costante. Una parte del liquido evapora formando gas flash e raffreddando il liquido rimanente.
- Evaporatore: assorbe calore, principalmente attraverso l’ebollizione, quindi surriscalda il vapore.
Calore latente e sensibile
Il calore sensibile modifica la temperatura senza cambiare la fase. Il calore latente provoca un cambiamento di fase, a temperatura costante per i refrigeranti puri a pressione costante.
Il liquido saturo si trova al punto di bolla; il vapore saturo si trova al punto di rugiada. Le miscele zeotropiche, come R-407C, presentano uno scorrimento di temperatura. Le perdite possono causare frazionamento, modificando composizione, pressioni e potenza frigorifera; il rabbocco potrebbe non ripristinare le prestazioni. Caricare queste miscele in fase liquida, impedendo al liquido di entrare nel compressore. Le miscele azeotropiche hanno uno scorrimento di temperatura trascurabile.
Diagrammi pressione-entalpia
La pressione è rappresentata sull’asse verticale, generalmente in scala logaritmica; l’entalpia specifica (kJ/kg) sull’asse orizzontale.
- Regioni: liquido sottoraffreddato a sinistra della campana di saturazione, miscela liquido–vapore al suo interno, vapore surriscaldato a destra. La frazione di vapore aumenta attraversando la campana da sinistra a destra.
- Evaporazione: orizzontale verso destra; condensazione: orizzontale verso sinistra, ipotizzando una pressione costante.
- Espansione: verticale verso il basso a entalpia costante.
- Compressione ideale: sale lungo una curva a entropia costante; la compressione reale richiede più lavoro.
Prestazioni del ciclo e ricerca dei guasti
L’effetto frigorifero netto è il calore assorbito per chilogrammo attraverso l’evaporazione e il surriscaldamento utile. La potenza frigorifera è uguale alla portata massica moltiplicata per questo effetto.
COP in raffreddamento = potenza frigorifera ÷ potenza assorbita dal compressore. Un COP di 3 significa 3 kW di potenza frigorifera per 1 kW di potenza assorbita. Una temperatura di evaporazione più alta o una temperatura di condensazione più bassa migliora il COP. Rapporto di compressione = pressione assoluta di scarico ÷ pressione assoluta di aspirazione; rapporti più elevati riducono il rendimento volumetrico. Il SEER pondera l’efficienza nelle diverse condizioni stagionali di carico parziale.
Questi scenari d’esame illustrano gli andamenti tipici in presenza di guasti; il comportamento effettivo dipende dai dispositivi di regolazione dell’impianto:
| Guasto | Variazioni previste |
|---|---|
| Perdita di refrigerante | Entrambe le pressioni diminuiscono; il surriscaldamento e la temperatura di scarico aumentano; il sottoraffreddamento raggiunge lo zero. |
| TEV bloccata aperta | La pressione di evaporazione aumenta; il surriscaldamento diminuisce; il liquido rischia di danneggiare il compressore. |
| Flusso d’aria ridotto al condensatore | Entrambe le pressioni e la temperatura di scarico aumentano; il sottoraffreddamento si annulla. |
| Flusso d’aria ridotto all’evaporatore | Entrambe le pressioni e la temperatura di scarico diminuiscono; la TEV mantiene il surriscaldamento; il sottoraffreddamento raggiunge lo zero. |
Consiglio per l’esame: Utilizzare le pressioni assolute per i rapporti di compressione. Esprimere il surriscaldamento e il sottoraffreddamento in K. Interpretare insieme i valori misurati di pressione, temperatura e flusso d’aria.
