“Ciclo di refrigerazione a compressione di vapore” è il nome dato per descrivere il funzionamento dei circuiti chiusi utilizzati nelle applicazioni di refrigerazione.

Si sfrutta l’evaporazione di un refrigerante all’interno del circuito, in particolare in uno scambiatore di calore chiamato evaporatore, che assorbe energia dall’aria circostante; questa viene poi consegnata al vano di conservazione degli alimenti per convezione naturale o forzata da una ventola (vedi anche “FARE FREDDO” e “PRESSIONE & TEMPERATURA”).

Una volta evaporato, il refrigerante non può più assorbire una quantità considerevole di energia e di conseguenza deve essere riportato allo stato liquido mediante condensazione.

Si pone quindi il problema di avere un ambiente abbastanza “freddo” per assorbire energia dal refrigerante, che naturalmente non può essere lo stesso vano di stoccaggio appena raffreddato.

Sfruttando la correlazione tra pressione e temperatura per il cambiamento di stato per cui a pressioni più alte corrispondono temperature più alte, si usa un compressore per comprimere il refrigerante a una pressione superiore a quella dell’evaporatore (fino a 8-10 volte!) in modo che il processo di condensazione possa avvenire a una temperatura compatibile con una fonte “fredda” facilmente disponibile, tipicamente l’aria esterna.

La condensazione avviene quindi a una temperatura elevata (di solito 35-55°C) all’interno di uno scambiatore di calore dove i due fluidi sono l’aria esterna e il refrigerante. Quest’ultimo condensa e ritorna allo stato liquido, mentre l’aria esterna sarà riscaldata.

Il refrigerante liquido è ancora ad alta pressione quando lascia il condensatore. Un dispositivo di espansione è quindi necessario per espandere il refrigerante liquido e ridurre la sua pressione al valore in cui avviene l’evaporazione; il refrigerante è ora tornato al suo stato iniziale (liquido a bassa pressione e temperatura) e può ancora una volta assorbire energia dall’aria nel vano di conservazione del cibo.

I componenti principali di un circuito frigorifero sono quindi:

Evaporatore: è uno scambiatore di calore simile a un radiatore quando è usato con l’aria (batteria alettata) o più compatto quando è usato con l’acqua (scambiatore a piastre, fascio tubiero); scambia energia per conduzione tra il refrigerante che evapora, passando da liquido a gas, e l’aria circostante (o l’acqua) che viene raffreddata di conseguenza. L’evaporazione avviene a pressione e temperatura praticamente costanti, a parte una leggera caduta di pressione. Il refrigerante che esce dall’evaporatore è un gas surriscaldato la cui temperatura è leggermente superiore a quella di evaporazione.

Compressore: è un dispositivo che fornisce una compressione volumetrica, cioè una riduzione progressiva di volume, utilizzando sistemi rotanti o alternativi. Il compressore ha la funzione di far circolare il refrigerante all’interno del circuito, nello specifico lo preleva come gas dall’evaporatore per poi comprimerlo e consegnarlo a pressione maggiore al condensatore. Il lavoro meccanico effettuato dal compressore implica un aumento significativo della temperatura del gas (a volte superiore a 100°C) e il consumo di energia. Il consumo di potenza del compressore dipende dalla differenza tra le due pressioni di funzionamento. Il refrigerante che entra nel compressore deve essere allo stato gassoso, poiché i liquidi sono notoriamente incomprimibili. Il compressore entra in funzione quando l’unità ha bisogno di raffreddare e di solito viene attivato tramite i sistemi di controllo della temperatura.

Condensatore: è uno scambiatore di calore simile all’evaporatore ma leggermente più grande, e può essere anche una batteria alettata, uno scambiatore di calore a piastre o un fascio di tubi. Scambia energia tra l’aria esterna (o l’acqua) soffiata dai ventilatori e il refrigerante sotto forma di gas caldo scaricato dal compressore. Il refrigerante viene raffreddato e poi condensa a una temperatura e pressione praticamente costante, cioè subisce un leggero sottoraffreddamento. All’uscita del condensatore il refrigerante sarà allo stato liquido ad alta pressione e con una temperatura leggermente inferiore a quella di condensazione.

Dispositivo di espansione: consiste in un’apertura calibrata, un sottile tubo capillare o una valvola di regolazione meccanica o a motore con controllo a microprocessore. La strozzatura prodotta dal dispositivo di espansione abbassa la pressione del refrigerante liquido in uscita dal condensatore senza scambio di energia. Questo sfrutta il principio di Bernoulli per cui la velocità di un fluido attraverso una restrizione aumenta notevolmente, causando una caduta di pressione e una corrispondente caduta di temperatura. In questo modo, il refrigerante liquido ritorna a bassa pressione e bassa temperatura ed è pronto ad evaporare di nuovo, ripetendo il ciclo descritto sopra.

Il dispositivo di espansione ha anche la funzione di controllare il flusso di refrigerante attraverso il circuito. Una quantità eccessiva rischia di danneggiare il compressore perché non evapora completamente nell’evaporatore, rimanendo in parte allo stato liquido. Una quantità insufficiente riduce sensibilmente l’efficienza dell’unità, poiché l’evaporatore non viene sfruttato al massimo.

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