REFRIGERAZIONE
REFRIGERAZIONE
. È il raffreddamento artificiale di un corpo, per portarlo e mantenerlo a temperatura inferiore a quella dell'ambiente nel quale si trova o anche per raffreddarlo più rapidamente di quello che farebbe se fosse lasciato a sé stesso. In pratica si ottiene mettendo il corpo da raffreddare in contatto con corpi che assorbono calore oppure, ed è questo il caso più comune, con fluidi (aria, acqua, ecc.) preventivamente raffreddati alla loro volta da corpi che assorbono calore.
È noto che, nel passare dallo stato solido a quello liquido oppure dallo stato liquido a quello aeriforme, tutte le sostanze assorbono grandi quantità di calore senza che la loro temperatura si elevi. Così, p. es., 1 kg. di ghiaccio per fondere assorbe, in cifra tonda, 80 calorie, mentre invece basta 1/2 caloria per elevare di 1 grado la sua temperatura. Così pure, i gas espandendosi assorbono calore e, se questo calore non è fornito dall'esterno, la loro temperatura si abbassa. Anche nella dissoluzione di certe sostanze si ha assorbimento di calore. In pratica, per la refrigerazione si sfruttano questi fenomeni e precisamente si utilizzano: a) solidi che a bassa temperatura passano allo stato liquido oppure a quello aeriforme; b) miscele di solidi a basso punto di fusione e di sali solubili; oppure di sali, acidi, acqua, ecc.; c) liquidi che evaporano a bassa temperatura; d) gas che si espandono.
La neve, il ghiaccio, l'anidride carbonica solida (ghiaccio secco) e le miscele frigorifere, che appartengono alle categorie a e b, sono usati solo quando si tratta di assorbire piccole quantità di calore e dove mancano mezzi migliori. Industrialmente la refrigerazione si realizza per mezzo di impianti meccanici nei quali si fa compiere a un fluido un ciclo chiuso, che comprende una fase di evaporazione oppure di espansione. Per riportare il fluido alla condizione originaria (e cioè per chiudere il ciclo) è necessario comprimerlo e poi raffreddarlo, trasformandolo nuovamente in liquido se si tratta di vapore, oppure lasciandolo a pressione ancora elevata se si tratta di gas. Oltre alla fase di assorbimento di calore dal corpo da raffreddare si ha, quindi, una fase di compressione con assorbimento di calore, generalmente fornito sotto forma di energia meccanica dall'esterno, e un'altra fase nella quale sia il calore sottratto al corpo da raffreddare sia quello corrispondente all'energia assorbita nella fase di compressione vengono ceduti all'ambiente esterno.
In ultima analisi, gli apparecchi frigoriferi assorbono calore a bassa temperatura e lo cedono all'ambiente che si trova a temperatura più elevata. La termodinamica insegna che questo è possibile solo a condizione di spendere dell'energia. I cicli frigoriferi sono sostanzialmente gli stessi delle motrici termiche, però percorsi in senso inverso; le motrici, infatti, assorbono calore a temperatura elevata e lo cedono a temperatura più bassa, fornendo energia meccanica.
I cicli più usati in pratica sono quelli a compressione, nei quali si usano di preferenza, come fluidi intermediarî o fluidi frigoriferi, sostanze che passano allo stato liquido a pressione relativamente bassa e a temperatura relativamente alta, come l'ammoniaca. Un tempo dominava il ciclo ad assorbimento, che fu poi quasi completamente abbandonato nei grandi impianti e solo ora è stato ripreso (macchine Maiuri-Altenkirch).
Cenni storici. - L'uso di raffreddare artificialmente le vivande è certamente antichissimo e nei paesi caldi si trova presso tutti i popoli che raggiunsero un certo grado di civiltà. Servivano a questo scopo la neve e il ghiaccio che venivano conservati fino all'estate in fosse isolate. Per rinfrescare l'acqua si usavano anche vasi porosi (alcarrazas) attraverso le pareti dei quali una parte dell'acqua trasudava, evaporando all'esterno e così raffreddando la rimanente. In epoca relativamente recente si apprese l'arte di usare la neve anche per preparare sorbetti e gelati.
La possibilità di conservare la carne per lungo tempo in buone condizioni di commestibilità mediante la congelazione fu forse scoperta in tempi lontanissimi. Infatti i ghiacci della zona artica hanno conservato perfettamente dei corpi di mammuth, alcuni dei quali erano ancora in condizioni tali che i cani ne poterono mangiare. Ma questo fenomeno non poté essere sfruttato fino a tanto che non si riuscì a creare impianti meccanici di refrigerazione.
E. R. Boyle nel 1632 presentò alla Società reale di Londra uno studio in cui parlava anche di alcuni miscugli frigoriferi da lui sperimentati. Successivamente e separatamente G. F. Lahire (1677-1719), Tiberio Cavallo nel 1774 e W. Cullen nel 1775 riuscivano ad ottenere del ghiaccio per evaporazione di un liquido. Quest'ultimo, per mezzo di una macchina pneumatica, abbassava la pressione sul liquido stesso che in queste condizioni poteva bollire a temperatura sufficientemente bassa.
J. Lesbie nel 1811 ripeteva gli esperimenti dei suoi predecessori ponendo acqua e acido solforico in recipienti separati sotto la campana pneumatica; ma non fu che il Faraday che riuscì, con esperimenti metodici sulla liquefazione stabile dei gas, iniziati dal 1823, a fissare in modo definitivo la teoria del cambiamento di stato dei corpi gassosi e ad aprire la via alla produzione meccanica del freddo.
La prima macchina che si conosca per la produzione del freddo fu quella a compressione, brevettata nel 1834 da J. Perkins, americano stabilito in Inghilterra, il quale l'aveva destinata a una birreria, senza però riuscire ad applicarla. L'idea del Perkins fu ripresa verso il 1856 da J. Harrison, con una macchina a etere etilico che ebbe pratica applicazione, e, con successo ancora maggiore, da Ch. Tellier nel 1864.
Nel 1845 J. Gorrie ideò in America una macchina a compressione d'aria per il raffreddamento delle sale di un ospedale. Altre macchine ad aria costruì nel 1855 in Germania F. Windhausen.
Nel 1850 E. Carré costruì una piccola macchina ad assorbimento, a funzionamento discontinuo, che ebbe una discreta diffusione nei caffè di Parigi. Nel 1859 F. Carré, fratello del precedente, creò la prima macchina ad assorbimento a funzionamento continuo, impiegando come fluido frigorifero l'ammoniaca, che faceva assorbire dall'acqua. Questa macchina ebbe larga applicazione nell'industria e per molti anni fece trascurare le macchine a compressione. F. Carré nella sua richiesta di brevetto preconizzò altre soluzioni che recentemente sono state applicate, come, p. es., l'uso di assorbenti solidi.
La macchina a compressione prese il sopravvento con il tipo ad ammoniaca, prototipo delle attuali, creata nel 1875 dal tedesco K. Linde, che si diffuse rapidamente in Europa e fuori. Nello stesso anno R. Pictet costruì una macchina frigorifera a compressione di anidride solforosa, che immediatamente ebbe anch'essa grande diffusione (fu il primo tipo importato in Italia nel 1876), mentre quella ad anidride carbonica ideata dal Seybot nel 1873 non riuscì a diffondersi che nel 1888 in Inghilterra. Un quarto sistema a compressione, quello al cloruro di metile, apparve in quel tempo a opera del Vincent, come ideatore, e di M. Douane, come fabbricante.
Nel 1910 M. Leblanc, riallacciandosi ai primi esperimenti compiuti per la fabbricazione del ghiaccio, costruì una macchina frigorifera a compressione di vapore d'acqua.
Le più importanti applicazioni della refrigerazíone sono la fabbricazione del ghiaccio artificiale e la conservazione (sia nei magazzini di deposito, sia nei carri ferroviarî e nelle navi) delle derrate alimentari: carne, pesci, uova, frutta, ortaggi. L'industria della fabbricazione del ghiaccio e quella, spesso associata con essa, dell'esercizio di magazzini refrigerati, vengono spesso designate col nome di industria del freddo. Le macchine per la produzione del freddo vengono ordinariamente chiamate macchine frigorifere e i magazzini refrigerati semplicemente frigoriferi (in sp. più correttamente frigoríficos). Per la conservazione di piccole quantità di derrate alimentari si usano, oltre alle ghiacciaie raffreddate con ghiaccio, armadî raffreddati da piccoli apparecchi automatici, che per la maggior parte applicano il ciclo a compressione.
Da pochi anni si è diffuso l'uso di raffreddare artificialmente nella stagione calda sale da spettacoli, edifici pubblici, case di abitazione, ospedali, treni per viaggiatori, generalmente con impianti centrali i quali, preferibilmente, provvedono al cosiddetto condizionamento dell'aria, cioè a purificare quella viziata dalla respirazione, a regolarne l'umidità e la temperatura, e a riscaldarla nei mesi freddi. Negli Stati Uniti si usa anche il raffreddamento dell'acqua da bere che negli alberghi, negli uffici, e negli stabilimenti industriali è fatto anch'esso con impianti centrali, dai quali si diramano condutture di distribuzione.
La refrigerazione serve anche alla fabbricazione dei gelati e ha una parte importante nell'industria del latte e dei formaggi, in quelle della birra, degli olî e dei grassi, del cioccolato, del sapone, della gomma, dei colori artificiali, della nitrocellulosa, della seta artificiale, della canfora artificiale, e in molte industrie chimiche, nelle quali la si impiega per accelerare la cristallizzazione di alcune sostanze dalle loro soluzioni, e la solidificazione di sostanze liquide o pastose, per condensare vapori e raccoglierli allo stato liquido, ecc. È stata applicata anche alla concentrazione di soluzioni, facendo congelare il solvente e asportandolo sotto forma di ghiaccio. È usata in siderurgia, per essiccare l'aria che deve essere soffiata negli alti forni, condensandone il vapor d'acqua (v. ferro); talvolta si raffreddano artificialmente getti di ghisa. Uno dei metodi con i quali si eseguono le fondazioni nei terreni al disotto del livello delle acque freatiche è appunto basato sulla refrigerazione (v. fondazioni; pozzo). Essa serve a creare artificialmente piste per pattinaggio e trova applicazione anche nell'invecchiamento artificiale dei vini.
Misura della quantità di calore e della potenza frigorifica. - La quantità di calore assorbita dalle macchine frigorifere normalmente è misurata in calorie. È noto che la caloria è la quantità di calore necessaria per elevare di un grado centigrado la temperatura di 1 kg. d'acqua pura. Nell'industria frigorifera, però, si preferisce prendere come unità la quantità opposta alla caloria, che viene detta frigoria (i frigoria = − 1 caloria). Nei paesi anglosassoni, invece della caloria, si usa come unità la British thermal unit (B. T. U.) che è la quantità di calore necessaria per elevare di 1 grado Fahrenheit la temperatura di 1 libbra inglese di acqua pura. 1 B. T. U. = − 0,252 calorie.
La potenza delle macchine frigorifere nel continente europeo si misura in frigorie/ora. Nei paesi anglosassoni come unità di potenza si usa, invece, la ton of refrigeration, che dovrebbe corrispondere alla quantità di calore necessaria per fondere 1 tonn. di ghiaccio in 24 ore, ma ha valori diversi negli Stati Uniti e in Inghilterra. 1 ton of refrigeration americana = 12.000 B. T. U./ora = 3024 frigorie/ora. I ton of refrigeration inglese = 14.256 B. T. U./ora =. 3693 frigorie/ora.
Miscele frigorifere. - Le miscele più usate in pratica sono sempre state quelle di neve o di ghiaccio con cloruro di sodio (sale da cucina) o cloruro di calcio. In Italia il sale per simili miscele (appositamente denaturato) è esente da imposta. Si usano, però, molte altre miscele, fra i cui componenti vanno ricordati l'acido solforico, l'acido nitrico, l'acqua, il solfato di sodio, il cloruro ammonico, il salnitro, ecc.
Le miscele frigorifere raggiungono temperature molto più basse di quelle dei loro componenti. Per es., dalla temperatura iniziale di 0°, una miscela di 3 parti in peso di neve e 1 parte di cloruro di sodio raggiunge quasi −18°; una miscela di 3 parti di neve e 1 di cloruro di calcio raggiunge −33°. Ma occorrerebbero quantità molto grandi di queste miscele per ottenere effetti dello stesso ordine di grandezza di quelli che si hanno con le moderne macchine frigorifere.
Fluidi jrigoriferi. - Il fluido di gran lunga più usato nelle macchine frigorifere è l'ammoniaca NH3; però hanno una discreta diffusione anche le macchine ad anidride carbonica CO2. Si usano anche macchine ad anidride solforosa SO2 e ad acqua H2O. Fra i fluidi frigoriferi vanno poi ricordati il cloruro di metile CH3Cl, il cloruro di etile C2H5Cl, il cloruro di metilene CH2Cl2, l'etere etilico (C2H5)2O, il dicloroetilene C2H2Cl2, il tricloroetilene C2HCl3, l'etano C2H6, il propano C3H8, l'isobutano C4H10, il butano C4H10, il protossido di azoto N2O. Le caratteristiche fisiche di queste sostanze sono riportate nella tab. I. Recentemente sono stati introdotti il diclorodifluorometano CCl2F2 e il diclorotetrafluoroetano C2Cl2F4. In qualche macchina serve da fluido intermediario l'aria che, beninteso, percorre il ciclo senza passare allo stato liquido.
Cicli a compressione. - Cicli semplici. - Il ciclo con lavoro esterno - che in pratica è raramente applicato - costituisce il caso più generale.
Tale ciclo è illustrato nella fig. 1. Consideriamo il caso in cui il fluido frigorifero intermediario è un liquido che passa allo stato di vapore. La trasformazione avviene nel vaporizzatore V - che generalmente è costituito da un serpentino - nel quale il liquido assorbe calore dal corpo da raffreddare. Il vapore viene aspirato e compresso dal compressore K che lo spinge nel condensatore C - esso pure costituito da un serpentino - nel quale cede calore a un fluido freddo - normalmente acqua - che alla sua volta lo cede all'ambiente. In tal modo il vapore si condensa sotto forma di liquido e passa dal condensatore nella macchina motrice E compiendo un lavoro meccanico e infine torna nel vaporizzatore V, dove si trasforma nuovamente in vapore per ritornare a percorrere il ciclo. Nel condensatore e nelle condotte che si trovano fra il compressore e la motrice E regna una pressione maggiore di quella che regna nel vaporizzatore e nelle condotte che partono dalla motrice e, passando per il vaporizzatore, arrivano al compressore; in tal modo è assicurata la circolazione del fluido frigorifero.
Per comprimere il vapore nel compressore occorre compiere un lavoro meccanico, che viene in parte restituito dal fluido quando passa nella motrice E.
Siccome, però, tale ricupero è pressoché trascurabile, nei cicli usati in pratica (fig. 2) la motrice è normalmente sostituita da una valvola di espansione R che oppone al passaggio del fluido una resistenza tale da controbilanciare la differenza di pressione fra la tubazione a monte e quella a valle della valvola stessa. Aprendo più o meno la valvola R si regola l'efflusso del fluido e quindi si accresce o diminuisce l'effetto frigorifico dell'apparecchio.
Regime secco e regime umido. - Quando il fluido frigorifero compie il ciclo allo stato liquido di vapore saturo, si dice che la macchina frigorifera funziona a regime umido; quando invece esso passa anche allo stato di vapore surriscaldato si dice che la macchina funziona a regime secco. A parità di peso di fluido, col funzionamento a regime secco si ottiene un effetto frigorifico maggiore, perché il surriscaldamento del vapore richiede l'assorbimento di una maggiore quantità di calore dall'esterno. Il regime secco presenta inoltre importanti vantaggi pratici (si evitano i cosiddetti "colpi di liquido" nel compressore, ecc.). Nella tab. II sono riportati i dati relativi al funzionamento a secco con diversi fluidi frigoriferi.
Quando una macchina frigorifera è regolata per il regime umido, per farla funzionare a regime secco basta ridurre l'efflusso del fluido, chiudendo parzialmente la valvola di regolazione. In pratica il funzionamento a regime secco è assicurato da un separatore S (fig. 3), nel quale quella parte di fluido frigorifero che esce allo stato liquido dal vaporizzatore V si separa dal vapore e torna nel vaporizzatore, mentre il vapore va al compressore K e di qui al condensatore C. Il passaggio del liquido dal separatore al vaporizzatore può avvenire per semplice gravità, oppure per mezzo di una pompa. In qualche caso, sempre per mezzo di una pompa, il liquido viene mandato dal separatore al condensatore anziché al vaporizzatore.
Cicli composti. - Il rendimento termico dei cicli semplici precedentemente descritti è molto minore di quello che teoricamente si potrebbe ottenere con un ciclo di Carnot percorso in senso inverso (v., p. es. , tab. II). Per avvicinarlo a quest'ultimo si usa la compressione multipla con raffreddamento intermedio (per i cui vantaggi, v. compressore, XI, pp. 9-10) ed eventualmente anche l'espansione multipla e il sottoraffreddamento. Si hanno così i cicli composti.
Per es., nel ciclo in due fasi con raffreddamento intermedio e vaporizzazione semplice, si ha (fig. 4): 1. laminazione nel rubinetto regolatore R; 2. vaporizzazione nel vaporizzatore V; 3. compressione a bassa pressione nel compressore KB; 4. raffreddamento intermedio nel raffreddatore I; 5. compressione ad alta pressione nel compressore KA; 6. condensazione nel condensatore C; mentre la separazione del liquido del vapore si compie nel separatore S. Il raffreddamento intermedio si può ottenere con acqua fredda oppure con vaporizzazione parziale dell'intermediario liquido proveniente dal condensatore o anche con iniezione di liquido.
Dal punto di vista termodinamico il raffreddamento intermedio con acqua fresca può offrire vantaggi sugli altri due; ma la misura della sua efficacia dipende dalla disponibilità e temperatura dell'acqua, mentre gli altri due sistemi si possono considerare indipendenti da questa.
Compressori. - Per i fluidi frigoriferi si usano compressori alternativi e compressori centrifughi (v. compressore). Quelli centrifughi presentano i vantaggi del minore ingombro, della maggiore velocità di rotazione che facilita il comando per mezzo di motori elettrici, e della maggiore facilità di regolazione; per queste ragioni negli ultimi 25 anni si sono molto diffusi, rimanendo però, in generale, limitati ai grandi impianti.
I compressori alternativi possono essere orizzontali o verticali (figure 5-6); i primi sono normalmente a doppio effetto, i secondi a semplice effetto e presentano il vantaggio di un minore ingombro in pianta. Un tempo questi compressori facevano 40-60 giri al minuto; attualmente i compressori grandi e medî fanno 130-190 giri, ma si arriva a 600 e, per i piccoli, anche a 1000 giri. Questo aumento di velocità è stato reso possibile dalla sostituzione delle valvole a fungo con le valvole a disco, le cui parti mobili sono costituite da un disco di acciaio nel quale sono praticate delle finestre; la leggerezza di questo disco consente una rapida apertura e una rapida chiusura. In qualche piccolo compressore molto veloce sono state eliminate le valvole: lo stantuffo in fine di corsa scopre dei semplici fori.
I compressori di anidride carbonica, che debbono sopportare pressioni molto elevate, sono di costruzione molto più robusta degli altri. In certi casi il cilindro è ricavato da pezzi forgiati di acciaio al nichelio; oppure da getti di acciaio. Per piccole macchine ad anidride carbonica si adopera il bronzo.
I premistoppa generalmente comprendono la lanterna Linde e cioè un anello metallico che forma una cavità in comunicazione con la condotta di aspirazione nei compressori ad ammoniaca e in quelli ad anidride carbonica (nei quali spesso si dispongono più lanterne); mentre invece, nei compressori ad anidride solforosa, la lanterna, che contiene dell'olio, è in comunicazione con la tubazione premente; perché in questo caso l'uscita dell'anidride è meno dannosa dell'entrata dell'aria.
Condensatori. - I condensatori normalmente usati negli impianti frigoriferi sono di quattro tipi: 1. atmosferici o a pioggia; 2. immersi; 3. a doppio tubo; 4. tubolari. Attualmente i più comuni nei grandi impianti sono quelli del tipo 1, mentre quelli del tipo 2 tendono a scomparire.
I condensatori atmosferici (fig. 7) sono costituiti da serpentine verticali oppure da fasci di tubi verticali disposti in piani paralleli sui quali scorre dell'acqua suddivisa quanto più è possibile; l'evaporazione di una parte di questa acqua contribuisce al raffreddamento. Un tempo i vapori percorrevano questi condensatori dall'alto al basso e cioè nello stesso senso dell'acqua che li raffreddava dall'esterno. Malgrado i vantaggi pratici di questa disposizione, ora si preferisce farli entrare dal basso e uscire dall'alto del condensatore.
I condensatori immersi (fig. 8) sono costituiti da serpentine disposte lungo eliche coassiali dentro un recipiente cilindrico che spesso è munito di un agitatore disposto internamente alle serpentine stesse. Il vapore percorre le serpentine dall'alto al basso; l'acqua entra nel recipiente dal basso e ne esce dall'alto.
I condensatori a doppio tubo sono normalmente costituiti da due serpentine disposte l'una dentro l'altra; nell'interna circola il vapore, mentre l'acqua circola in senso inverso nell'intercapedine fra un tubo e l'altro. In alcuni piccoli condensatori di questo tipo, il serpentino esterno è costituito da due lastre stampate (fig. 9) che vengono montate in modo che le loro superficie piane siano a contatto. In questi condensatori la trasmissione del calore si compie nel modo migliore.
I condensatori tubolari sono simili a quelli usati nelle motrici a vapore. Sono costituiti da fasci di tubi, disposti dentro un mantello cilindrico. L'acqua circola dentro i tubi; i vapori nell'intercapedine fra tubi e mantello. Questo tipo di condensatori, un tempo preferito solo nei grandi impianti, ora tende a diffondersi a scapito degli altri.
Quando l'acqua di raffreddamento non è in quantità sufficiente si usa raffreddarla con i metodi in uso negli impianti termici.
Distribuzione del freddo. - Le macchine frigorifere possono raffreddare i locali e gli apparecchi nei quali si utilizza il freddo con due diversi sistemi: 1. raffreddamento diretto (detto anche espansione diretta): in questo caso i vaporizzatori sono collocati nei locali o negli apparecchi da raffreddare; 2. raffreddamento indiretto: in questo caso il vaporizzatore raffredda un liquido che poi si fa circolare entro serpentini disposti nei locali da raffreddare. A questo scopo s'impiega ordinariamente la cosiddetta soluzione incongelabile o salamoia, che è una soluzione acquosa di cloruro di calcio o di altri sali, i quali abbassano il punto di congelazione dell'acqua, consentendo di portarne la temperatura molto al disotto di o° senza che si formi ghiaccio (il diagramma in fig. 10 dà l'andamento della temperatura di solidificazione con il variare della percentuale in soluzione dei cloruri di sodio, calcio e magnesio).
Sia nell'uno che nell'altro caso le tubazioni, nei tratti compresi fra le macchine frigorifere e i serpentini che trasmettono il freddo, sono accuratamente isolati per evitare ogni infiltrazione di calore esterno. Durante l'esercizio, il vapor d'acqua contenuto nell'aria degli ambienti da raffreddare va a condensarsi e congelarsi sui serpentini, formandovi uno strato di ghiaccio che raggiunge un certo spessore e ostacola la trasmissione del freddo. È quindi necessario rimuovere di quando in quando questo strato, interrompendo la circolazione del fluido ed eventualmente facendo circolare al suo posto un fluido a temperatura più elevata, per fondere il ghiaccio immediatamente a contatto con i tubi e facilitare così la rimozione del rimanente. Queste operazioni sono dette di sbrinamento. Negl'impianti a raffreddamento diretto, per lo sbrinamento si utilizzano i vapori caldi provenienti dal compressore.
I due metodi a raffreddamento diretto e indiretto hanno ciascuno i loro vantaggi e i loro svantaggi. Il primo è più semplice e negli ultimi trent'anni ha quasi completamente sostituito l'altro nei grandi impianti ad ammoniaca; però presenta lo svantaggio del turbamento di regime che accompagna lo sbrinamento. Nel secondo, un tempo dominante, la salamoia, accumulando il freddo, consente il raffreddamento delle celle anche quando i compressori sono fermi per un breve periodo; per contro, occorrono pompe di circolazione della salamoia e raffreddatori di salamoia, che possono, analogamente ai condensatori, essere: 1. immersi, 2. a doppio tubo, 3. a fascio tubolare, 4. a scorrimento.
Quando si tratta di raffreddare sostanze solide (come avviene nella maggior parte dei casi) il freddo dai vaporizzatori viene trasmesso per mezzo dell'aria oppure per mezzo di acqua o salamoia. La circolazione dell'aria può essere naturale oppure forzata. Nel primo caso si dispongono i serpentini sul soffitto oppure lungo le pareti delle celle da raffreddare (figura 11), disponendo opportunamente diaframmi che regolano la circolazione dell'aria e che, se i serpentini sono attaccati al soffitto, servono anche a raccogliere l'acqua che ne gocciola durante gli sbrinamenti. Nel secondo caso i vaporizzatori del fluido frigorifero vengono collocati in appositi locali separati dalla cella e collegati a questa da canali entro i quali l'aria viene spinta da ventilatori.
Macchine frigorifere a vapor d'acqua. - In questi apparecchi si raffredda dell'acqua, oppure una soluzione incongelabile, facendone evaporare il solvente acqua con l'abbassare la pressione che regna sopra di esso: la vaporizzazione si compie a spese del calore che viene sottratto alla salamoia.
Il vuoto si fa con un eiettore di vapore che può utilizzare vapore alla pressione di sole 1-3 atmosfere e, quindi, vapore di scappamento di motrici. L'uso dell'eiettore s'impone perché - come si rileva anche dalla tabella II - è necessario aspirare un grandissimo volume di vapor d'acqua di densità limitata e comprimerlo con un rapporto di compressione piuttosto forte, esigenze alle quali si prestano male i compressori sia alternativi sia centrifughi.
Uno di questi apparecchi è illustrato schematicamente nella fig. 12. La salamoia proveniente dai serpentini del vaporizzatore si raccoglie nel recipiente CL; di qui un tubo che pesca nella parte inferiore del recipiente stesso la porta nell'evaporatore V, nel quale regna una pressione minore dell'atmosferica. In questo evaporatore la salamoia cade in pioggia traverso una lamiera forata; una parte dell'acqua evapora per la minore pressione che regna nell'ambiente, e la salamoia raffreddata esce dal fondo dell'evaporatore ed una pompa P la spinge nell'apparecehio R (che costituisce il vaporizzatore nel senso usato nella descrizione dei normali cicli a compressione); in esso assorbe calore sottraendolo ai corpi da raffreddare; poi torna al serbatoio CL. Il vuoto nell'evaporatore V è fatto dall'eiettore E che aspira il vapore e l'aria e li invia al condensatore C - che può essere a superficie come quello illustrato in figura, ma anche a miscela - dove si liquefà insieme col vapore sussidiario; l'acqua formatasi viene poi evacuata per mezzo della pompa PU. Si usano eiettori centrifughi Westinghouse-Leblanc. Per raffreddare acqua o sostanze acquose (p. es., latte) in certi casi, anziché la salamoia, si sottopone all'evaporazione il liquido stesso da raffreddare.
Ciclo ad assorbimento. - Questo ciclo differisce dal ciclo a compressione principalmente per il fatto che quasi tutta l'energia necessaria per il suo funzionamento viene fornita sotto forma di calore anziché di energia meccanica. Il fluido frigorifero è un vapore che in una fase del ciclo viene assorbito da un liquido (oppure, in qualche raro caso, da un solido) che in un'altra fase del ciclo viene riscaldato, liberando nuovamente il vapore. Gli apparecchi nei quali si compiono l'assorbimento e lo sviluppo del vapore tengono luogo del compressore. Normalmente la circolazione della soluzione è assicurata da una pompa, la quale assorbe una piccola quantità di energia meccanica.
Come fluido frigorifero generalmente si usa l'ammoniaca come liquido assorbitore l'acqua, la quale a 0° può sciogliere 900 volumi di ammoniaca. Il ciclo è illustrato schematicamente nella fig. 13. L'ammoniaca proveniente dal vaporizzatore V viene assorbita dall'acqua nell'assorbitore A; a mano a mano che essa si scioglie, nuova ammoniaca viene aspirata dal vaporizzatore. La soluzione acquosa di ammoniaca, detta soluzione ricca, passa poi nell'ebollitore E nel quale viene riscaldata liberandone l'ammoniaca che va al condensatore C dove viene raffreddata e si condensa per tornare al vaporizzatore traverso la valvola di espansione e regolazione R. La soluzione debole, e cioè l'acqua liberata dalla massima parte dell'ammoniaca che teneva disciolta, torna dall'ebollitore nell'assorbitore, passando anch'essa attraverso una valvola di regolazione r. La circolazione della soluzione ammoniacale è assicurata dalla pompa di circolazione P.
L'assorbimento dell'ammoniaca nell'acqua dà luogo a sviluppo di calore che nelle macchine di vecchio tipo viene sottratto alla soluzione facendo circolare dell'acqua fredda entro l'assorbitore. Per ridurre la quantità di calore necessaria per il funzionamento del ciclo, questo in pratica viene modificato facendo passare la soluzione povera che va all'assorbitore per un ricuperatore o scambiatore di calore nel quale essa riscalda la soluzione ricca che va all'ebollitore.
Le moderne macchine di G. Maiuri e S. Altenkirch si scostano notevolmente dallo schema sopra descritto, realizzando un rendimento termico molto più elevato. In quella a due gradi di pressione, illustrata schematicamente nella fig. 14, l'ammoniaca è assorbita due volte. E cioè dapprima viene assorbita sotto un vuoto di 50 cm. di mercurio, nell'assorbitore a bassa pressione BA; la soluzione così ottenuta viene fatta bollire nell'ebollitore BE, poi l'ammoniaca viene rettificata e nuovamente assorbita, a pressione più elevata, nell'assorbitore MA. La soluzione ottenuta in questo assorbitore passa nell'ebollitore principale ME, poi traversa il rettificatore e, liberatasi dal vapor d'acqua fino a contenerne meno del 0,2-0,4 per mille (mentre nelle vecchie macchine si tollerava l'1%) va al condensatore C. La circolazione della soluzione si effettua per mezzo di pompe. Vi sono poi due scambiatori di temperatura.
Le macchine ad assorbimento, anche se di vecchio tipo, possono competere vantaggiosamente con le macchine a compressione, quando si dispone di vapore a bassa pressione (p. es., vapore di scappamento di motrici) o anche di gas di scappamento di motori Diesel. Naturalmente, il vantaggio è maggiore con le macchine moderne come quella sopra descritta. Va notato che queste macchine, mentre servono al raffreddamento, forniscono anche dell'acqua tiepida che può trovare utile impiego, e cioè, l'acqua che ha servito a raffreddare il condensatore. Questo vantaggio è eomune alle macchine a compressione; però nelle macchine ad assorbimento l'acqua può raggiungere temperature che sarebbero pericolose per i compressori.
Ciclo Platen-Munters. - È un ciclo nel quale - per adattarlo meglio alle esigenze dei piccoli apparecchi casalinghi - si è eliminata la pompa di circolazione della soluzione di ammoniaca, sostituendola con una circolazione a termosifone che è stata resa possibile e praticamente efficace mantenendo nel vaporizzatore e nell'assorbitore un'atmosfera di idrogeno, in modo che la somma della pressione dell'idrogeno e di quella dell'ammoniaca è eguale alla pressione che regna nell'ebollitore e nel condensatore. Sembra che la prima idea dell'introduzione di un gas inerte risalga al 1899 e si debba al Geppert. Secondo G. Maiuri, il gas inerte avrebbe una funzione importantissima, in quanto l'evaporazione dell'ammoniaca dalla soluzione si dovrebbe alla diffusione dell'ammoniaca stessa nel gas inerte, il quale nell'assorbitore si era liberato dall'ammoniaca che prima conteneva. Perciò il Maiuri ha proposto di distinguere il ciclo Platen-Munters dai cicli ad assorbimento, chiamandolo ciclo a diffusione. Alla circolazione del fluido frigorifero, si aggiunge così la circolazione ausiliaria dell'idrogeno.
In tale ciclo la miscela di ammoniaca e idrogeno cade dal vaporizzatore nell'assorbitore, dove l'ammoniaca si scioglie nella soluzione povera proveniente dall'ebollitore, mentre l'idrogeno resta allo stato gassoso e risale nel vaporizzatore. La soluzione ricca formatasi nell'assorbitore passa nella pompa a termosifone e cioè in un serpentino nel quale viene rlscaldata; per effetto del riscaldamento, la densità della soluzione diminuisce e si formano in seno a essa delle bolle di ammoniaca gassosa che la alleggeriscono ulteriormente, consentendole di salire in un tubo che la scarica nell'ebollitore a livello superiore a quello che la soluzione raggiunge nell'assorbitore; sicché, dopo essersi liberata dall'ammoniaca nell'ebollitore e trasformata in soluzione povera, questa ridiscende per gravità nell'assorbitore. In tal modo viene assicurata la circolazione della soluzione. L'ammoniaca gassosa dall'ebollitore passa poi nel condensatore e, condensata, nel vaporizzatore, ritornando poi nell'assorbitore, come nel ciclo normale precedentemente descritto.
Il ciclo Platen-Munters è applicato nel frigorifero automatico "Electrolux" illustrato schematicamente nella fig. 15. La pompa a termosifone 1 può essere riscaldata elettricamente, ma nel caso della figura, essa è riscaldata da una fiamma a gas; i prodotti della combustione salgono per un tubo che attraversa l'ebollitore 2 e vanno al camino. Sia il vaporizzatore 7 sia l'assorbitore 10 sono costituiti da vasi più alti che larghi, portanti internamente dei dischi forati, i quali suddividono il liquido che scorre dall'uno all'altro: ciò facilita sia l'evaporazione dell'ammoniaca sia il suo assorbimento da parte della soluzione povera. L'assorbitore è raffreddato da un serpentino che lo circonda esternamente e dentro il quale circola dell'acqua fredda che poi va a raffreddare il condensatore 4. Questo è semplicemente costituito da un tubo che circonda il tubo dell'acqua di refrigerazione; l'ammoniaca liquida dal condensatore per il tubo 6 scende al vaporizzatore. Fra l'ebollitore 2 e il condensatore 4 è interposto un rettificatore 3 che serve a separare i vapori d'ammoniaca dall'acqua e dal vapor d'acqua che essi trascinano, rimandandoli nell'ebollitore. L'idrogeno circola dal basso all'alto dentro l'assorbitore 10 e, passando per il ricuperatore 8, va al vaporizzatore 7 dove si mescola all'ammoniaca; la miscela si raccoglie al fondo del vaporizzatore e scende nell'assorbitore, passando anch'essa per il ricuperatore 8, entro il quale essa raffredda l'idrogeno proveniente dall'assorbitore e fa condensare l'ammoniaca eventualmente sfuggita all'assorbimento. L'apparecchio comprende un secondo ricuperatore 9 (costituito, come quello 8, da due tubi concentrici), nel quale la soluzione povera riscalda la soluzione ricca. Comprende anche il cosiddetto "tubo di ventilazione" 5, un tubo piegato a uncino che nella fase di avviamento serve a far passare nel vaporizzatore l'idrogeno che si trova nell'ebollitore e nel condensatore (a regime non avviene nessun passaggio di idrogeno traverso questo tubo).
Isolazioni termiche. - Per ovvie ragioni economiche, in tutti gl'impianti frigoriferi si cerca di ridurre la penetrazione di calore dall'ambiente esterno, rivestendo le tubazioni percorse dai fluidi freddi e le pareti degli ambienti e degli apparecchi refrigerati, con uno o più strati dì sostanze cattive conduttrici del calore o coibenti.
La migliore fra queste sostanze è l'aria, a condizione però che sia in quiete; condizione che si realizza quando non vi sono sensibili differenze di temperatura fra le pareti delle camere che la contengono, perché tali differenze determinano correnti di convezione che sono molto efficaci per la trasmissione del calore. Appunto per questa ragione i materiali porosi, nei quali l'aria è contenuta in piccole cellule, sono generalmente ottimi isolanti; mentre invece talvolta riescono poco efficaci, anche se perfettamente chiuse, le camere d'aria che si lasciano nelle costruzioni.
Per l'isolazione delle condotte e dei magazzini frigoriferi si usano materiali di bassa conduttività specifica e porosi. È larghissimamente usato il sughero che, per ogni grado di differenza di temperatura, trasmette soltanto 0,04 calorie all'ora per mq. di superficie e ml. di spessore. Ordinariamente si usa il sughero in granuli di qualche mm. di diametro, spesso agglomerati con pece, caseina o altre sostanze e ridotto in lastre o mezzi tubi di 5-12 cm. di spessore.
Ha avuto larga applicazione un processo secondo il quale le cellule del sughero vengono fatte espandere per evaporazione dell'umidità che contengono; in tal modo si riesce anche a far saldare i diversi granuli fra loro, senza bisogno di altro legante.
Si usano anche lastre di fibre legnose compresse (p. es., il "Celotex" che è fatto di fibre di canna da zucchero), cortecce d'alberi, segatura di legno, pula di riso, terra d'infusorî, lana di vetro, lana minerale (preparata con scorie di alti forni), schiuma di gomma, carbone di legna.
Recentemente, sfruttando il fatto che il coefficiente di emissione è l'inverso del coefficiente di riflessione, si è trovato vantaggioso di fare isolazioni con fogli metallici, di alluminio al 99,99%, tesi a una certa distanza fra loro e a distanza dal corpo da isolare, oppure gualciti in modo da riempire un'intercapedine tutto intorno al corpo stesso.
Apparecchi automotici. - Sono destinati a quei piccoli impianti per i quali riuscirebbe eccessivamente onerosa la sorveglianza di un operaio. Per la massima parte sono applicati ad armadî per la conservazione di piccole quantità di derrate alimentari per uso domestico, che sostituiscono con vantaggio gli armadî raffreddati con ghiaccio (ghiacciaie). Gli apparecchi automatici non funzionano continuamente, ma si mettono automaticamente in moto quando la temperatura dell'ambiente da raffreddare supera un certo limite e si fermano quando l'hanno portata al limite inferiore.
Funzionano quasi tutti secondo il ciclo a compressione e in questo caso sono comandati da motori elettrici che vengono messi in marcia e fermati da un termostato il quale, rispondendo alle variazioni di temperatura, chiude o apre il circuito elettrico. Inoltre, sono muniti di dispositivi che regolano automaticamente la pressione di aspirazione, fanno circolare l'acqua nel condensatore solo quando il compressore è in funzione, aprono il circuito elettrico quando la pressione supera un certo limite, ecc.
Come si è già aceennato, oltre al ciclo a compressione, è applicato il ciclo Platen-Munters in apparecchi che non hanno motori ne pompe, ma sono riscaldati a gas oppure elettricamente. Anche questi apparecchi sono controllati da dispositivi automatici.
Bibl.: A. Cecchi, Tecnica del freddo, Milano 1928; H. J. Macintire, Handbook of mechanical refrigeration, New York 1928; P. Ostertag, Kälterprozesse, Berlino 1924; M. Hirsch, Die Kältemaschine, 2ª ed., ivi 1932.
Marina. - La particolare necessità di provvedere a refrigerare i locali interni delle navi moderne dipende essenzialmente dal fatto che esistono a bordo forti sorgenti di calore sia per le potenze, di solito alte e sempre crescenti, degli apparati di propulsione, sia per lo sviluppo sempre maggiore che si dà a tutti i macchinarî ausiliarî tanto a vapore quanto elettrici, sia ancora per il fatto che la struttura metallica dello scafo è di per se stessa un ottimo conducente tanto del calore interno sviluppato dai diversi macchinarî quanto di quello solare raccolto dalla superficie metallica esposta ai raggi del sole.
Sulle navi da guerra si deve aggiungere la necessità di mantenere i depositi delle munizioni ad una determinata temperatura (di solito non superiore ai 25° C.) qualunque sia la temperatura esterna sia dell'aria, sia degli altri locali adiacenti della nave, fra i quali assai spesso non sono lontani quelli dell'apparato motore.
Su tutte le navi, poi, che stanno diversi giorni lontane dai porti, è necessario provvedere alla refrigerazione dei viveri putrescibili ed anche alla fabbricazione del ghiaccio.
Il sistema impiegato generalmente per la refrigerazione dei depositi delle munizioni consiste nel raffreddare convenientemente l'aria in appositi cassoni (ingl. air coolers), e nel farla circolare immettendola con leggiera pressione nei locali inferiori e disponendo le aperture e le comunicazioni dei varî locali in modo che essa percorra tutti gli ambienti da refrigerare, venendo poi ripresa nella parte alta dei locali superiori e rinviata al refrigeratore in ciclo chiuso per abbassarsi di nuovo di temperatura.
I casi più tipici di refrigerazione si trovano sulle navi destinate in tutto o in parte a trasportare sostanze putrescibili, in particolare frutta e carni. In esse si hanno impianti frigoriferi destinati a mantenere alla voluta temperatura intere stive e in qualche caso addirittura tutte le stive della nave, nonché una buona parte degli interponti; si superano anche i 16.000 mc. di volume refrigerato, tutto regolarmente fasciato con sostanze isolanti. Queste navi sono normalmente più veloci delle ordinarie navi da carico e nel computo della loro velocità economica ha grande importanza il combustibile che va speso per il funzionamento dell'impianto frigorifero durante il viaggio e durante la permanenza in porto nei periodi di imbarco e di sbarco della merce.