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Le macchine frigorifere

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Gruppo n°1

 


 

 

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Macchine Frigorifere

 

Una macchina frigorifera è un sistema che serve per trasferire calore da un serbatoio freddo ad uno caldo, a spese di un certo lavoro. Le principali macchine frigorifere di uso comune sono il frigorifero e la pompa di calore. Il funzionamento è identico, con l’unica differenza che il risultato utile che si ricerca, nel caso del frigorifero è quello del calore estratto al corpo freddo, mentre nella pompa di calore è quello ceduto al corpo a temperatura più elevata.

L’obiettivo della macchina frigorifera è quello di estrarre il calore Q2.

 

 

 

 

Struttura

 

Lo schema di una macchina frigorifera è qui sotto rappresentato:

 

 

Il Compressore aspira il gas refrigerante dall'evaporatore e successivamente lo comprime per condensarlo nuovamente.

Il Condensatore è quella parte dove il gas condensa e si raffredda.

La Turbina ha la funzione di recuperare una parte del lavoro fornito alla macchina, ed aumentarne di conseguenza il rendimento.

L'Evaporatore contiene, allo stato liquido, una sostanza refrigerante che liquefa facilmente. I refrigeranti maggiormente usati sono l'ammoniaca, il cloruro di metile, il freon 12 e l'anidride solforosa. L’ammoniaca, la sostanza refrigerante più usata, è molto economica, ma viene utilizzata quasi esclusivamente per applicazioni industriali.

 

 

Il Ciclo della Macchina

 

Il ciclo della macchina, avviene quindi in 4 distinte fasi che portano a compiere una trasformazione ciclica.

Questa trasformazione può essere riportata su vari diagrammi di stato (p/V, T/S, h/S) che ne descrivono i vari passaggi da punti di vista differenti.

Bisogna inoltre considerare che il diagramma è differente a seconda della sostanza refrigerante utilizzata nella macchina, e che quindi per ogni macchina vanno utilizzati i dati (sotto forma di tabelle o grafici) forniti dal produttore.

Le diverse fasi della trasformazione sono:

  • 1 -> 2: La sostanza refrigerante, che si trova allo stato di vapore saturo, viene portata dal compressore ad una pressione molto più alta, con una trasformazione adiabatica reversibile. Successivamente essa si troverà ad una temperatura maggiore, e quindi il vapore diventa surriscaldato.
  • 2 -> 3 : Passando attraverso il condensatore, la sostanza refrigerante cede quindi calore e comincia a raffreddarsi, fino a quando non entra nella regione del grafico sottostante alla curva limite (quella tracciata in rosso), nella quale la trasformazione prosegue a temperatura costante, in quanto si verifica la condensazione del vapore.
  • 3 -> 4 : Questa fase avviene attraverso la turbina (3-4). In questo caso si ha una trasformazione adiabatica reversibile.
  • 4 -> 1 : Dentro all’evaporatore, la sostanza refrigerante passa dallo stato liquido a quello di vapore saturo a temperatura costante, chiudendo il ciclo.

 

Diagramma p/V:

 

Dal momento che il ciclo deve rispettare il primo principio della termodinamica (Q1 = Q2 + L), il calore ceduto al condensatore è la somma del calore estratto dall’evaporatore e del lavoro speso per compiere tutto il processo.

 

 

Coefficiente di Prestazione α

 

Una caratteristica importante dei frigoriferi è il coefficiente di prestazione α, che rappresenta la massima prestazione possibile per un frigorifero che lavori tra le temperature T1 e T2, e corrisponde al rapporto tra il calore Q2 prelevato dalla sorgente T2 e il lavoro L speso:           α = Q2/L

Nel caso che il frigorifero funzioni compiendo un ciclo di Carnot alla rovescia, essendo L = Q2 - Q1 si ha che:          α = Q2/L = Q2/(Q2 - Q1)

e ricordando che nella macchina di Carnot le quantità di calore sono proporzionali alle rispettive temperature assolute, si può ricavare che:          α = T2/(T2 - T1)

 

Nella pompa di calore , il coefficiente di prestazione α è superiore a quello ottenuto facendo funzionare un frigorifero, perchè si utilizza anche il calore prodotto nel funzionamento del compressore. Poichè α rappresenta il rapporto tra il calore Q1 immesso nella stanza ed il lavoro L speso, si ha:          α = Q1/L = (Q2 + L)/L = (Q2/L) + 1 = T2/(T1 - T2)

Il coefficiente di prestazione in condizioni normali è circa 4 (varia da 2 a 6 a seconda dell'efficienza della macchina e della differenza tra la temperatura interna e quella esterna della casa).

 

 

Vantaggi della Pompa di Calore

 

I vantaggi della pompa di calore sono i seguenti:

  • si preleva calore dall'ambiente esterno, un "serbatoio" praticamente inesauribile;
  • si utilizza energia a bassa temperatura, cioè energia degradata.

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