Il ciclo frigorifero: come funziona la refrigerazione

Il ciclo frigorifero è alla base di tutti i sistemi di refrigerazione che troviamo nei nostri frigoriferi e condizionatori, ma anche nei chiller industriali a compressione. Questo processo sfrutta principi fisici per trasferire calore da un ambiente all’altro, mantenendo così temperature controllate.

In questo articolo vediamo come.

1. Cos'è il ciclo frigorifero?

In poche parole, il ciclo frigorifero è un ciclo termodinamico in cui un fluido refrigerante assorbe e rilascia calore in modo controllato. Questo permette al chiller industriale di estrarre calore da un sistema di processo per rilasciarlo altrove, abbassando così la temperatura. Su questo principio si basa la refrigerazione industriale (e non).

Questo processo avviene grazie al cambiamento di stato del refrigerante, che passa da gas a liquido e viceversa durante il ciclo.

2. Fasi del ciclo frigorifero

Ecco le fasi del ciclo frigorifero di un chiller.

• Compressione del refrigerante. Il ciclo inizia con la compressione del refrigerante, che viene pressurizzato nel compressore. Questo passaggio aumenta sia la pressione sia la temperatura del gas, rendendolo pronto per la fase successiva di condensazione.
• Condensazione e scambio termico. Il refrigerante caldo e pressurizzato passa attraverso il condensatore, dove cede calore all’ambiente esterno. Durante questo processo, il gas si trasforma in liquido, riducendo la sua energia termica.
• Espansione e riduzione di pressione. Una volta liquefatto, il refrigerante passa attraverso una valvola di laminazione, dove subisce un drastico calo di pressione e temperatura, trasformandosi in una miscela di liquido e vapore a bassa pressione.
• Evaporazione e assorbimento di calore. La miscela di refrigerante entra nell’evaporatore, dove assorbe calore dall’ambiente da raffreddare, completando così il ciclo. L’assorbimento di calore fa evaporare il liquido, che torna allo stato gassoso pronto per essere nuovamente compresso.
• Ripetizione del Ciclo. Dopo l’evaporazione, il gas refrigerante ritorna nel compressore, e il ciclo ricomincia, garantendo un raffreddamento costante ed efficiente.

3. Componenti del ciclo frigorifero

Abbiamo già visto in un articolo a parte quali sono i componenti del ciclo frigorifero: facciamo qui una rapida sintesi.

• Il Condensatore: scambiatore di calore. In questo componente, il refrigerante cede calore all’ambiente esterna, permettendo il cambio di stato da gas a liquido. Questa parte del chiller è fondamentale per garantire un’efficienza elevata del sistema.
• La Valvola di Laminazione. Regola la pressione del refrigerante, riducendola rapidamente per consentire l’evaporazione. È un componente chiave per la gestione della temperatura e della pressione all’interno del sistema.
• L’Evaporatore: area di assorbimento. Nell’evaporatore, il refrigerante assorbe calore dall’ambiente da raffreddare, completando il processo di refrigerazione. Qui il refrigerante evapora, sottraendo calore dall’aria circostante o da un liquido refrigerato.

4. Tipi di cicli frigoriferi

Abbiamo parlato in genere di “ciclo frigoriferi”: esistono in realtà diversi tipi di cicli di refrigerazione, a seconda del chiller o macchina frigorifera, che si differenziano più o meno da uno standard di base.

Cominciamo dal ciclo frigorifero a compressione: questo è il ciclo frigorifero più comune, utilizzato nella maggior parte dei chiller di raffreddamento industriale (oltreché nei frigoriferi domestici). Funziona grazie a un compressore meccanico che spinge il refrigerante attraverso il ciclo.

Esiste poi il ciclo ad assorbimento: in questa tipologia, invece di un compressore meccanico, si utilizza un fluido assorbente per il refrigerante. Tale sistema è frequentemente utilizzato nella cogenerazione: in questo caso si parla di un chiller ad assorbimento.

Infine, esiste anche un ciclo a magnetizzazione, basato sull’effetto magnetocalorico. Questo ciclo utilizza le proprietà magnetiche di alcuni materiali per generare il raffreddamento. È una tecnologia ancora sperimentale ma promettente in termini di efficienza e sostenibilità.

5. Efficienza e sostenibilità

Ma quali sono i fattori che determinano la maggiore o minore efficienza energetica di un chiller e di un ciclo frigorifero?

I moderni sistemi di refrigerazione puntano a minimizzare le perdite di energia, affidandosi alle tecnologie a disposizione. In alcune applicazioni, l’uso dell’inverter può essere una soluzione per l’efficientamento. Il controllo da remoto è inoltre un ulteriore ritrovato tecnico per gestire e ottimizzare i parametri di funzionamento del macchinario: in ogni momento, anche non in presenza.

D’altra parte, con l’evoluzione delle tecnologie, sono stati introdotti refrigeranti a basso impatto ambientale che migliorano l’efficienza e riducono l’impatto ecologico: in questo senso, la normativa UE ha fatto da apripista per l’introduzione di gas refrigeranti a basso GWP quali l’R32 e l’290.