Studio e progettazione di una macchina frigorifera innovativa a variazione continua della potenza erogata. Implicazioni sull'impianto.

 Presentazione 
 
 
frigorifere complessive superiori a 200 kW. Questo accoppiamento 
dovrà consentire la perfetta integrazione dei circuiti elettrici, 
elettronici e idraulici di asservimento all’impianto e alla stessa unità 
centrale. E’ risultato fortemente necessario progettare, con approccio 
diverso da quello tradizionale, l’involucro esterno dell’unità 
refrigerante in maniera tale da poter permettere il semplice 
accoppiamento dei singoli moduli anche sul sito d’installazione. 
L’accoppiamento deve quindi garantire l’assenza di giochi fra le 
pareti adiacenti, evitare i problemi di tenuta del circuito frigorifero e 
idraulico e quelli di sicurezza dell’impianto elettrico a bordo 
macchina. 
• Il ridotto utilizzo di fluido refrigerante con la conseguenza di una 
drastica diminuzione del potenziale di danneggiamento 
dell’ambiente, del rischio per gli utenti e del costo di primo 
approvvigionamento. Si perviene a tale prerogativa richiesta alla 
macchina attraverso la totale centralizzazione del circuito frigorifero: 
a differenza delle macchine ad espansione diretta del frigorigeno 
nell’aria, si utilizza un fluido intermedio (l’acqua) per farlo 
espandere nei termoconvettori (o fan-coils terminali) oppure 
accumularlo in serbatoi per un utilizzo sanitario. 
• Il risparmio energetico ottenuto da un sistema innovativo di 
parzializzazione del carico attraverso la modulazione continua del 
numero di giri del compressore. 
• Il risparmio energetico gestito dal sistema di controllo centrale. 
Quest’ultimo deve sempre operare mettendo d’accordo la esigenze 
di ogni singolo ambiente da soddisfare: si utilizza per questo un 
elemento recuperatore del calore altrimenti dissipato in batteria di 
condensazione nell’aria esterna. 
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 Presentazione 
 
 
• L’ottimizzazione acustica della macchina. Attraverso l’utilizzo di 
ventilatori assiali di recentissimo sviluppo si è reso possibile 
abbattere le emissioni sonore. 
Tutte le sfide progettuali indicate, e in particolare quelle che riguardano 
l’aspetto del risparmio energetico, non possono prescindere dallo studio delle 
proprietà dei refrigeranti: il fluido frigorigeno, indispensabile al funzionamento 
delle macchine a compressione di vapore, costituisce un potenziale rischio per 
l’ambiente e la sicurezza. La minimizzazione dei rischi è stato uno degli 
obiettivi primari per le scelte progettuali. L’uso di refrigeranti a basso impatto 
ambientale, come l’R410A, tuttavia ha reso necessarie alcune verifiche sulle 
reali condizioni di lavoro del fluido vettore per ottimizzare gli scambi termici e 
le perdite di carico al fine di raggiungere in tal modo la massima efficienza 
energetica. 
Nei primi due capitoli del lavoro di tesi viene riportata una breve 
descrizione del ciclo inverso a compressione di vapore, del circuito frigorifero 
e dei componenti che lo realizzano. Tutto ciò al fine di descrivere la logica di 
base per lo studio e la progettazione della macchina frigorifera. 
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 Capitolo 1: 
Il ciclo frigorifero a compressione 
 
 
 
 
Capitolo 1: 
 
Il ciclo frigorifero 
a compressione
 
 
 
1.1 Introduzione. 
Per alcuni processi tipici del condizionamento dell’aria (raffreddamento e 
deumidificazione), o della refrigerazione (conservazione e trasporto di sostanze 
alimentari, impianti produttivi industriali), è necessario ricorrere ad un mezzo 
refrigerante per poter produrre il freddo tramite un ciclo frigorifero. 
L’espressione “produrre il freddo”, in realtà, non è del tutto corretta: per il 
principio zero della termodinamica, infatti, il calore si trasferisce sempre da un 
corpo (o un fluido) più caldo ad un altro più freddo. 
Con un ciclo frigorifero facciamo esattamente il contrario: trasferiamo 
calore da un luogo dove risulta in eccesso, o comunque non è desiderato, in un 
altro dove possa venire smaltito senza arrecare disturbo. 
Il ciclo frigorifero più utilizzato è quello denominato ciclo mediante 
compressione; altri cicli (quello ad assorbimento, ad eiettori o mediante effetto 
termoelettrico) hanno un impiego molto limitato e non sono trattati in questa 
pubblicazione. 
Nel ciclo a compressione, il fluido refrigerante (o frigorigeno) ha la 
funzione di compiere una serie di trasformazioni grazie alle quali riesce a 
scambiare calore con alcune fonti; tale scambio di calore permette di ottenere 
l’effetto desiderato, ossia di sottrarre energia termica dal corpo (o 
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 Capitolo 1: 
Il ciclo frigorifero a compressione 
 
dall’ambiente) che si vuole raffreddare e di cederla ad un altro corpo (o 
ambiente). 
Per assorbire calore dalla zona che si desidera raffreddare si ricorre ad un 
cambiamento di stato. Pensiamo, infatti, all’acqua contenuta in una pentola che 
si trovi sul fuoco: il liquido assorbe calore a spese della fiamma del fornello e, 
una volta raggiunta una determinata temperatura (che dipende anche dalla 
pressione alla quale il liquido stesso si trova), comincia a bollire. Cosa significa 
questo? L’acqua sta passando dallo stato liquido a quello di vapore, e per fare 
ciò sta assorbendo calore da una sorgente termica. Riportiamo questo esempio 
semplicissimo al mondo del condizionamento: al posto dell’acqua troviamo il 
fluido refrigerante e in luogo della fiamma il fluido che intendiamo raffreddare 
(il quale può essere direttamente l’aria dall’ambiente da condizionare oppure 
l’acqua da inviare ai fan-coils). Al posto della pentola si ha uno scambiatore di 
calore. Cosa succede dunque? Il frigorigeno è un fluido capace di evaporare 
anche a basse temperature, motivo per cui, se si trova in determinate condizioni 
di pressione, appena entra in contatto con l’acqua da raffreddare (che è 
comunque più calda, anche se si trova a temperature intorno ai 10-15 °C) inizia 
ad evaporare sottraendogli calore, e quindi facendola diventare più fredda. 
Ecco, dunque, come è stato possibile a raffreddare dell’acqua o dell’aria a 
spese di un altro fluido. Il refrigerante, però, a questo punto avrà assorbito 
dell’energia termica: ora non sarà più in grado di compiere nuovamente una 
trasformazione di evaporazione per continuare a raffreddare acqua, se non 
dopo aver ceduto questa energia termica a qualche altro mezzo. 
In che modo, dunque, il frigorigeno riesce a cedere energia termica ad altri 
mezzi? La risposta è semplice: con un cambiamento di stato inverso a quello 
che è stato appena descritto, ossia mediante una trasformazione di 
condensazione. Durante la condensazione, infatti, il refrigerante espelle calore 
e torna pronto ad evaporare. Per poter effettuare la condensazione, però, il 
frigorigeno ha bisogno di raffreddarsi, naturalmente, e lo deve fare ancora una 
volta a spese di un altro mezzo. I mezzi più utilizzati sono sempre acqua o aria. 
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 Capitolo 1: 
Il ciclo frigorifero a compressione 
 
Nei condizionatori più comuni, il gas attraversa una batteria alettata, la quale 
viene investita da una corrente d’aria (mossa da ventilatori) e cede calore ad 
essa, passando quindi dallo stato di vapore allo stato liquido. L’aria, 
ovviamente, si riscalda. Questo è il motivo per cui, passando davanti alla parete 
esterna di un condizionatore (ad esempio appena fuori da un bar o ad un 
negozio) si sente arrivare aria calda. Le due trasformazioni di evaporazione e 
condensazione, tuttavia, devono avvenire a temperature e pressioni differenti; è 
questo il motivo per cui fra l’evaporatore e il condensatore si installa un 
compressore con lo scopo di fornire energia al refrigerante e portarlo a 
pressioni e temperature più elevate, in modo che possa condensare 
agevolmente; dopo il condensatore, invece, (quindi a monte dell’evaporatore) il 
frigorigeno incontra un organo di laminazione (generalmente una valvola 
termostatica di espansione) con lo scopo di abbattere la pressione del fluido 
fino al valore necessario a far avvenire correttamente l’evaporazione. 
 
1.2 Il diagramma log p-h. 
Il modo più usuale per esaminare il comportamento di un fluido frigorigeno 
è quello offerto dal diagramma semilogaritmico pressione-entalpia. Nella 
figura 1.1 è riportato tale diagramma per il refrigerante R22. 
Sull’asse delle ascisse si riporta il contenuto di calore del fluido (l’entalpia 
h) in kJ/kg. La scala viene utilizzata soprattutto per determinare differenze di 
entalpia tra due punti (∆h). 
L’asse delle ordinate riporta i valori di pressione assoluta in bar. Tale scala 
viene usata sia per determinare delle differenze di pressione (∆p) che dei valori 
assoluti in punti specifici. 
La linea curva che cresce da sinistra verso destra, per poi decrescere dopo 
aver raggiunto un massimo, viene chiamata usualmente “campana”. Nel 
diagramma essa rappresenta l’insieme degli infiniti punti in cui il frigorigeno si 
trova in condizioni di saturazione, in funzione del proprio contenuto di entalpia 
e del valore di pressione a cui è sottoposto. 
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 Capitolo 1: 
Il ciclo frigorifero a compressione 
 
 
Figura 1.1: Diagramma log p-h per l’R22. 
 
La campana è idealmente divisa in due parti: quella di sinistra rappresenta la 
curva del liquido saturo (cioè con il massimo contenuto entalpico per ogni 
determinato valore di pressione), a destra invece vi è la curva del vapor saturo 
(cioè del vapore con il massimo contenuto entalpico per ogni determinato 
valore di pressione, pur rimanendo nello stato di saturazione). 
Le due curve si congiungono in un punto, nella parte alta, detto critico. In 
esso si trovano indifferentemente sia liquido che vapore. Basta un lieve 
aumento del contenuto entalpico per far passare il fluido allo stato di vapore. 
Inversamente, una diminuzione porta il fluido allo stato di liquido. 
Una serie di curve dette isotitolo indicano la percentuale di vapore nel 
miscuglio. Ad esempio, la curva con tenore 0.8 rappresenta una miscela 
composta dall’80% di vapore e dal 20% di liquido (in peso). 
All’esterno della campana, sulla destra, si trova la zona del vapore 
surriscaldato. Qui il vapore presenta una temperatura superiore a quella di 
saturazione, a parità di pressione. 
Un’ulteriore serie di curve si identifica sul diagramma semilogaritmico 
pressione-entalpia: le isoterme (rappresentano tutti i punti in cui il fluido ha la 
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 Capitolo 1: 
Il ciclo frigorifero a compressione 
 
stessa temperatura). Come si può rilevare l’andamento è orizzontale all’interno 
della campana. Tende verso l’alto a partire dal ramo della curva del liquido 
saturo e verso il basso dal ramo della curva del vapore saturo, con una 
curvatura più o meno accentuata. Questa serie di curve evidenzia la costruzione 
della campana poiché delimita la zona in cui le temperature di saturazione 
rimangono costanti per ogni determinato valore di pressione. Queste 
considerazioni, tuttavia, sono valide solo per fluidi puri o per miscele 
azeotropiche. Nel paragrafo 2.4 sarà chiarito il concetto di miscela azeotropica 
e il differente comportamento fra i refrigeranti. 
Nella zona del vapore surriscaldato, invece, le isoterme si proiettano verso 
destra. Il volume specifico del vapore varia sensibilmente con il variare della 
pressione. Si tratta di una caratteristica molto importante. Infatti, a parità di 
altre condizioni, l’effetto frigorifero è determinato dal quantitativo in peso di 
frigorigeno circolante. Lavorando in condizioni di ridotto volume specifico 
(perciò con pressioni di evaporazione relativamente elevate), l’effetto 
frigorifero aumenta. Comprimere un gas significa ridurre il volume occupato 
da un certo quantitativo e quindi addensarlo in uno spazio ridotto. Ne consegue 
che lavorando a temperatura di evaporazione più alta, cioè a pressione di 
evaporazione maggiore, un compressore frigorifero mette in circolo una massa 
superiore di refrigerante. Viceversa, con il ridursi della pressione di 
evaporazione, aumenta il volume specifico del vapore e diminuisce il 
quantitativo in peso di frigorigeno in circolazione. 
Le curve ad entropia costante, invece, si proiettano dalla campana verso la 
parte destra del diagramma, inclinate verso l’alto. L’entropia, con definizione 
semplificata, rappresenta il grado di reversibilità di ogni trasformazione 
termodinamica. Le curve ad entropia costante, sul diagramma, rappresentano 
quindi trasformazioni ideali perfettamente reversibili, in assenza di dispersioni 
di energia all’esterno del sistema. Queste curve, nei calcoli teorici, vengono 
assunte come base per l’analisi della compressione adiabatica, cioè come si 
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 Capitolo 1: 
Il ciclo frigorifero a compressione 
 
svilupperebbe in un compressore ideale, senza scambio di calore durante la 
compressione. 
 
1.3 Il ciclo frigorifero ideale. 
Il ciclo frigorifero viene abitualmente rappresentato nel diagramma 
semilogaritmico pressione-entalpia. In figura 1.2 è rappresentato un ciclo 
ideale, mentre in figura 1.3 si osserva schematicamente il circuito frigorifero 
della macchina che produce il ciclo stesso, con indicazione di tutti i punti in cui 
avvengono le trasformazioni riportate sul diagramma del ciclo; la macchina è 
un refrigeratore d’acqua con condensazione ad aria. 
 
 
Figura 1.2: Rappresentazione grafica di un ciclo frigorifero ideale. 
 
E’ utile una sommaria descrizione generale del ciclo stesso prima di 
approfondire le fasi che lo compongono. Nel punto A’ il frigorigeno è allo stato 
di liquido sottoraffreddato, all’uscita dal condensatore. Il passaggio verso 
l’evaporatore è reso possibile per effetto della differenza di pressione tra A’ e 
B. Allo scopo di regolare l’afflusso di frigorigeno nell’evaporatore è interposto 
un organo di laminazione (valvola d’espansione termostatica). 
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