Come funziona il frigorifero
In che modo il frigorifero, elettrodomestico dalla presenza imprescindibile in ogni abitazione (ma anche luogo di lavoro), produce il freddo che permette di mantenere e conservare a lungo il cibo? Prima di spiegare come funziona il frigorifero e arrivare a rispondere a questa curiosità, facciamo una breve introduzione scientifica.
In natura, il processo che vede il trasferimento di calore da un corpo più caldo a un corpo più freddo, avviene spontaneamente e senza dispendio di energia esterna. Il trasferimento in questione, comporta una cessione di calore (quindi di energia in transito) ed è tanto più rapido e marcato quanto più elevata è la differenza di temperatura tra i due corpi, arrestandosi, infine, quando si raggiunge l’equilibrio termico, ossia la parità di temperatura. La comprensione del processo indicato fin qui, risulta immediatamente più limpida nella considerazione dell’enunciato esposto dal fisico tedesco Rudolf Clausius (1822-1888), il quale, nella considerazione di altri principi formulanti la medesima considerazione, esprime l’inesorabile aumento dell’Entropia, quale grandezza indicante il grado di “disordine” molecolare dell’Universo. L’enunciato recita:
E’ impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia far passare calore da un corpo più freddo ad uno più caldo.
L’espressione “unico risultato” risulta essenziale per la comprensione del meccanismo regolante il funzionamento della macchina frigorifera.
Come funziona il frigorifero
Un frigorifero, infatti, preleva calore da un recipiente (il comparto interno isolato termicamente) che è freddo e lo riversa nell’ambiente esterno circostante, caratterizzato da una temperatura superiore.
A questo punto è opportuno sottolineare che l’ultimo processo descritto NON esprime l’unico risultato della trasformazione, poiché per garantire il funzionamento del frigorifero è stata fornita energia elettrica dall’esterno, con il conseguente trasferimento di energia, quindi di calore, avvenuto in maniera tutt’altro che spontanea.
Le macchine frigorifere sono sistemi in cui il fluido evolvente, ossia la sostanza che subisce le trasformazioni, è chiamato refrigerante.
Esistono, a parità sostanziale di proprietà fisiche, diversi tipi di refrigerante: in passato il fluido evolvente più diffuso era “Freon“; impiegato nella costruzione dei frigoriferi sin dal 1970, fu bandito poiché inquinante e particolarmente aggressivo nei confronti dell’ozono atmosferico, e per tale motivo soppiantato dal meno dannoso R134a (CH2FCF3).
Il ciclo termodinamico
Nel frigorifero il R134a subisce una successione ciclica di trasformazioni all’interno dei diversi componenti dell’impianto, in modo che, una volta ottenuto l’effetto utile (in questo caso il raffreddamento progressivo del contenuto del frigorifero), il refrigerante in questione ritorni alle condizioni iniziali, compiendo, di fatti, il cosiddetto ciclo termodinamico.
Un frigorifero è costituito, in sostanza, da:
- un ambiente chiuso che deve essere raffreddato
- un tubicino nel quale fluisce il refrigerante,
- un compressore alimentato ad energia elettrica
- una valvola di laminazione, applicata precisamente tra condensatore e evaporatore.
Il compressore volumetrico, costituito da uno stantuffo che scorre all’interno di un cilindro, comprime il gas aumentandone, oltre che la temperatura, la pressione, scorrendo in un secondo momento all’interno del condensatore, uno scambiatore di calore dove il tubicino in cui fluisce il refrigerante è avvolto su se stesso a serpentino (questi multipli ripiegamenti del condotto massimizzano lo scambio termico, quindi la cessione di calore all’ambiente esterno).
Una volta completato il passaggio all’interno del condensatore, il fluido, che prima era gas, ormai raffreddato diviene liquido saturo (ossia senza alcuna traccia della fase vapore).
Il refrigerante, in questa fase liquida, scorre attraverso la valvola di laminazione “L” che costituisce, semplicemente, una strozzatura del condotto in cui fluisce il liquido; a causa della repentina riduzione della sezione di passaggio, la pressione alla quale si trova il liquido, cala improvvisamente e proprio a causa delle particolari proprietà fisiche del refrigerante, questa variazione è in grado d’indurre il processo di evaporazione.
Questa trasformazione, attivata a valle della valvola di laminazione, procede e si completa all’interno dell’evaporatore posto all’interno del frigorifero, ossia l’ambiente da raffreddare; il processo di evaporazione del refrigerante comporta una sottrazione di calore all’interno dello scomparto del frigorifero, che a questo punto risulta quindi più freddo dell’ambiente esterno.
Una volta completato il passaggio di fase, il vapore, ormai saturo (ossia privo di tracce di liquido) passa all’interno del compressore dove è portato ad una pressione più alta, questo permette il ripristino delle condizioni iniziali, concludendo, dunque, il ciclo termodinamico.
La macchina frigorifera per funzionare richiede un certo dispendio di energia elettrica tanto maggiore quanto più la temperatura esterna al frigorifero è elevata. Per questo motivo, paradossalmente, il rendimento della macchina è più basso in estate, giacché la rapidità con cui il fluido refrigerante cede calore all’ambiente circostante è minore che in inverno. Questo comporta un sensibile aumento dei consumi e quindi una lievitazione dei costi in bolletta proprio nel periodo dell’anno in cui il frigorifero è indispensabile. Per ottimizzare i consumi è inoltre importante conservare e disporre correttamente i cibi nel frigorifero.
