Pompe di calore e refrigeranti

Le pompe di calore, i condizionatori e i refrigeranti utilizzano il trasferimento di calore da una sorgente a temperatura più bassa a una sorgente a temperatura più alta.

Un ciclo termodinamico è costituito da una serie di trasformazioni operate su un fluido in modo che esso torni alle condizioni iniziali di pressione, volume e temperatura. Se il ciclo termodinamico comporta la trasformazione di calore in lavoro viene denominato ciclo diretto mentre se il ciclo termodinamico serve a trasferire il calore da un corpo a temperatura più bassa a un altro a temperatura più alta è detto ciclo inverso. Per il secondo principio della termodinamica se si vuole realizzare un ciclo inverso si deve somministrare lavoro meccanico al fluido. Se il ciclo inverso si realizza per sottrarre calore da un ambiente che deve essere mantenuto al una temperatura più bassa della temperatura esterna viene detto ciclo frigorifero. Se invece il ciclo inverso è realizzato per somministrare calore ad un ambiente che deve essere mantenuto ad una temperatura maggiore rispetto a quella esterna si ha una pompa di calore.

Il trasferimento di calore avviene quindi da un serbatoio freddo Qc a uno caldo. Affinché ciò avvenga è necessario che venga compiuto un lavoro W che viene convertito in trasferimento di calore. Il trasferimento di calore alla sorgente calda è Qh = Qc +  W  (1)

A differenza del motore termico di Carnot, il ciclo di refrigerazione subisce un processo in direzione opposta come si può vedere dalla figura.

ciclo inverso

Un impianto frigorifero è costituito da:

1)      compressore a cui viene fornito lavoro che viene sfruttato perché esso eserciti una compressione adiabatica reversibile sul fluido che lo attraversa provocandone l’innalzamento della pressione e un aumento di temperatura

2)      condensatore in cui il fluido subisce un raffreddamento che avviene a pressione costante; in tal modo si ha una condensazione completa con conseguente emissione di calore

3)      strozzatore: attraverso la valvola strozzatrice o valvola di espansione avviene una espansione in cui si abbassano pressione e temperatura del fluido refrigerante

4)      evaporatore in cui il calore viene sottratto dalla cella frigorifera che quindi si raffredda a dato al fluido che si trasforma in vapore

impianto frigorifero

La qualità di condizionatori e frigoriferi viene fatta valutando quanto trasferimento di calore Qc avviene e quanto lavoro W è necessario. Si definisce pertanto coefficiente di prestazione COPref come il rapporto tra Qc e W:

COPref = Qc/W  (2)

Dalla (1) W = Qh – Qc

Sostituendo nella (2) il valore di W si ha:

COPref = Qc/ Qh – Qc

Un altro metodo per valutare la qualità di un impianto refrigerante è dato dal Coefficiente di effetto utile EER (Energy Efficienty Rating) definito come:

EER = Qc t2/ W t1

Dove Qc è la quantità di calore trasferito ( in Btu), t1 il tempo espresso in ore, W è il lavoro espresso in Joule e t2 il tempo espresso in secondi

Una pompa di calore è una macchina che trasporta il calore da un ambiente a un altro: in estate si sottrae calore all’ambiente che si viole rinfrescare portandolo all’esterno mentre in inverno si fornisce calore all’ambiente che si vuole riscaldare sottraendolo all’ambiente esterno.

Il principio di funzionamento della pompa di calore è  quindi lo stesso del frigorifero nel caso si voglia raffreddare e esattamente l’opposto nel caso si voglia riscaldare. In quest’ultimo caso il fluido circolante assorbe calore dall’esterno e lo cede all’interno della struttura. Tale fluido è usualmente un vapore a bassa pressione che ha la proprietà di evaporare a temperature relativamente basse. Le fasi sono:

1)      evaporazione in cui il fluido arriva all’evaporatore allo stato liquido, riceve calore dalla sorgente fredda ed evapora

2)      compressione in cui il vapore formato viene aspirato e portato a pressione elevata dal compressore. La compressione provoca un riscaldamento del gas e in questa fase il fluido si trova allo stato di vapore, ad alta pressione e temperatura

3)      condensazione in cui il vapore ad alta pressione e temperatura cede calore e condensa. In questa fase il fluido ritorna allo stato liquido ed è freddo ma ad alta pressione

4)      espansione durante la quale la valvola di espansione isoentalpica riduce la pressione del liquido e il fluido ritorna alle condizioni termodinamiche di partenza.

La qualità di una pompa di calore viene valutata in funzione del calore trasferito Qh rispetto al lavoro richiesto. Si definisce coefficiente di prestazione COPhp il rapporto tra Qh e W

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Author: Chimicamo

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