REFRIGERAZIONE
REFRIGERAZIONE (XXVIII, p. 979; App. II, ii, p. 676)
Il progresso più appariscente dal punto di vista scientifico-tecnico nel campo del freddo è probabilmente costituito dalla possibilità di ottenere agevolmente temperature bassissime, dell'ordine di appena qualche °K, mediante i liquefattori d'elio interamente automatici, messi a punto pochi anni or sono dall'americano S. C. Collins (fig. 1). Il concetto della cascata è qui sapientemente applicato ad un unico fluido e l'espansione con produzione di lavoro è compiuta in cilindri di forma tutta speciale: massima pressione 15 atmosfere.
Il funzionamento di questo liquefattore è agevolmente comprensibile con l'aiuto della figura. L'elio, proveniente da bombole, viene essiccato e purificato in una trappola a carbone raffreddata con azoto liquido e quindi immagazzinato entro un gasometro a bassa pressione. Da qui esso viene prelevato e compresso sino ad una pressione non superiore a 15 ata, mediante un gruppo costituito di solito da due compressori a due stadî accoppiati ad un unico motore. Il gas compresso e raffreddato con acqua passa poi nel criostato, dove la corrente gassosa viene inizialmente suddivisa in due parti: una di esse si espande con produzione di lavoro attraverso un primo espansore alternativo adiabatico, sino alla pressione di 1,35 ata raggungendo la temperatura di 80 °K (−193 °C) e raffreddando tutta la corrente di gas che giunge nel criostato. L'altra parte, dopo aver subìto questo primo raffreddamento, si suddivide anch'essa in due correnti, una delle quali si espande adiabaticamente in un secondo espansore alternativo sino alla pressione predetta, raggiungendo la temperatura di 12 °K (−261 °C) e raffreddando tutta la seconda parte del gas. La corrente gassosa che non ha attraversato l'espansore subisce, attraverso una valvola di strozzamento, l'effetto Joule-Thomson; il gas si espande senza produzione di lavoro sino alla pressione di 1,35 ata, raggiungendo la temperatura di liquefazione di 4 °K (−269 °C). Il liquido si raccoglie al fondo del criostato che si trova tutto alla pressione di 1,35 ata, leggermente superiore quindi a quella atmosferica, e viene convogliato all'esterno mediante una speciale tubazione.
Un'altra innovazione molto importante nel campo dei liquefattori è costituita dalla macchina Philips, che produce 5 litri di aria liquida per ogni ora (tav. f. t., fig. 1).
Questa macchina lavora secondo il ciclo inverso di Stirling, compreso tra due isoterme e due isocore, ha dimensioni assai ridotte ed è caratterizzata da un funzionamento del tutto automatico. Il fluido lavorante - in genere l'idrogeno e talvolta anche l'elio - viene fatto espandere ad una temperatura molto bassa, inferiore a −200 °C. ed inviato ad uno scambiatore di calore lambito dall'aria ambiente. Questa, trovandosi in contatto con una superficie a temperatura inferiore alla sua temperatura di condensazione, passa allo stato liquido e viene quindi raccolta e convogliata, attraverso un'apposita tubazione, all'esterno. Applicando alla macchina Philips una colonna di distillazione e rettificazione, è possibile produrre all'incirca 4 litri di azoto puro all'ora.
In questi ultimi anni si sono compiuti notevoli progressi, sia per quanto concerne la produzione del freddo, sia per l'apertura di nuovi orizzonti nel campo delle utilizzazioni - biologia, chirurgia, chimica, farmacologia, metallurgia, scienza dei missili - sia ancora per una più larga diffusione dei frigoriferi domestici e del condizionamento, resa possibile da approfondite ricerche di laboratorio. Verranno passati qui in rassegna i punti che presentano maggior interesse.
I compressori delle macchine a vapor saturo. - La velocità di rotazione dell'albero nei grandi compressori alternativi tende a salire attorno ai 1500 giri al minuto, in quanto si cerca sempre più di accoppiarli direttamente a motori elettrici a 4 poli (reti a 50 Hz; ovvero, 1800 al minuto, con reti a 60 Hz). Per gli impianti di media potenza, tutto il complesso generatore del freddo viene di preferenza riunito in centrali premontate di costruzione massiccia e poco ingombranti (tav. f. t. fig. 2).
Si diffondono, inoltre, specialmente negli impianti di condizionamento dell'aria, i gruppi semiermetici nei quali motore e compressore sono racchiusi in uno stesso involucro.
Nei riguardi delle piccole macchine, specialmente usate per i frigoriferi domestici, i conservatori di gelati, i refrigeranti d'acqua, ecc., si vanno diffondendo compressori ermetici con velocità di rotazione dell'albero che raggiungono i 3000 giri al minuto (per frequenze di rete di 50 Hz, o i 3600 per 60 Hz).
Recentemente hanno fatto la loro comparsa i compressori a doppia vite elicoidale per aria o altri gas, ideati in Svezia dal prof. A. Lysholm. Hanno trovato impiego in alcune applicazioni speciali del freddo (condizionamento delle cabine per aerei, raffreddamento di missili, ecc.), ma la macchina può funzionare pure come espansore e come tale viene adoperata nella fabbricazione di aria liquida, con produzione di lavoro esterno. ll funzionamento è quello di un capsulismo ad alta velocità: due rotori elicoidali coniugati, maschio e femmina, tra i quali esiste un gioco estremamente ridotto, ruotano dentro involucro molto aderente (fig. 2). Prima dell'ingranamento dei due profili, la gola della femmina è piena del gas da comprimere, che giunge da una luce praticata ad una delle estremità dell'involucro; allorché cessa la comunicazione della gola con la luce di entrata - e ciò a causa della rotazione dell'elica - si inizia l'ingranamento con il profilo maschio. Durante la rotazione, la superficie di contatto tra i due ingranaggi si estende e si sposta verso l'estremità opposta dell'involucro, provocando la progressiva compressione del gas che viene racchiuso tra i due profili e che, alla fine, viene espulso da una seconda luce praticata all'estremità opposta dell'involucro. Malgrado la grande aderenza, i due rotori elicoidali non subiscono usura perché il movimento viene comunicato ad essi da una coppia di ingranaggi di precisione posta all'estremità dei due alberi. L'olio di lubrificazione non viene trascinato nei circuiti del gas. Altri vantaggi sono l'assenza di valvole, la forte riduzione del peso e dell'ingombro dovuta alla velocità elevata, l'assenza di vibrazioni.
Questi compressori molto veloci vengono all'occorrenza accoppiati direttamente con motori elettrici speciali, alimentati da correnti a frequenze di alcune centinaia di Hz, ovvero indirettamente tramite moltiplicatori di velocità. Il numero di giri al minuto degli alberi degli ingranaggi va da 2000 a 40.000 e le portate vanno da 0,4 m3/minuto a 500 m3/minuto.
Va sempre più estendendosi l'uso del compressore centrifugo sia negli impianti per il condizionamento dell'aria, sia come stadio a bassa pressione negl'impianti frigoriferi di grande potenza. La sua fisionomia esterna tende a mutare per i continui perfezionamenti che mirano ad eliminare il moltiplicatore di velocità per accoppiare direttamente le giranti a motori elettrici veloci a due poli (fig. 3); le velocità di rotazione dell'albero tendono quindi ai 3000 giri al minuto per correnti a 50 Hz (3600 per correnti a 60 Hz).
I vantaggi connessi all'impiego dei compressori centrifughi - e cioè mancanza di valvole e di organi in movimento alternativo - con l'aumentare della diffusione di queste macchine hanno suggerito e imposto la ricerca di nuovi agenti frigorigeni ad alto peso molecolare più rispondenti allo scopo per i piccoli rapporti di compressione e le basse pressioni di condensazione.
Agenti frigorigeni. - La famiglia degli idrocarburi alogenati, per lo più chiamati con la denominazione originaria di "freon" (quindi arcton, algofrene, frigen, ecc.), si arricchisce continuamente di nuovi componenti. Citiamo i più notevoli: difluorodiclorometano (CF2Cl2), detto freon 12 o algofrene 2; difluoromonoclorometano (CHF2Cl), detto freon 22 o algofrene 6, di crescente impiego nella comune tecnica frigorifera e nel condizionamento dell'aria; trifluoromonoclorometano (CF3Cl), detto freon 13, per le temperature più basse; difluoromonocloroetano (C2H3F2Cl); decafluorobutano (C4F10) ed esafluorodicloropropano (C3F6Cl2) comparsi recentemente in U.R.S.S.; ottofluorotetrametilene (C4F8) in Germania.
Macchine frigorifere ad assorbimento. - Le macchine frigorifere ad assorbimento presentano la caratteristica di richiedere, per il loro funzionamento, energia sotto forma di calore e quindi si prestano al recupero di cascami di calore. Oggi la tendenza all'economia delle risorse energetiche si fa sempre più sentita e, per tale motivo, le macchine ad assorbimento trovano crescente diffusione. Di recente nel settore del condizionamento dell'aria, dove si richiedono temperature non molto basse, normalmente un po' superiori a 0 °C, hanno fatto la loro comparsa le macchine a soluzione acquosa di bromuro di litio, nelle quali l'acqua costituisce il mezzo refrigerante. Il funzionamento di queste macchine è, in linea di principio, uguale a quello delle macchine ad acqua-ammoniaca (v. refrigerazione, XXVIII, p. 979).
Nuove tendenze nella produzione del freddo. - Nel 1834 il francese J.-Ch.-A. Peltier scoprì che mandando una corrente elettrica in un circuito costituito da due metalli diversi, una delle giunture si comportava come sorgente di calore, l'altra come assorbitore di calore. La possibilità offerta dall'effetto Peltier per la produzione del freddo va posta in relazione coi materiali impiegati e col processo attuato per la loro giunzione. L'inconveniente principale è costituito dal riscaldamento per effetto Joule, che tende a mascherare l'abbassamento di temperatura provocato dall'effetto Peltier in una delle due giunzioni. Gli studî perseguiti da anni in Germania, S. U. A., Gran Bretagna, Francia, e specialmente presso l'Istituto dei semiconduttori dell'URSS da A. F. Ioffe, hanno tuttavia portato alla costruzione di apparecchi sperimentali di piccole proporzioni, che presentano rendimenti assai vicini a quelli delle piccole macchine ad assorbimento per uso domestico.
Si ha ragione di ritenere che nei prossimi anni nuovi refrigeratori e piccoli condizionatori d'aria ad effetto termoelettrico compariranno sul mercato a prezzi vantaggiosi rispetto agli attuali apparecchi domestici, sì che l'economia realizzata nell'acquisto compenserà l'onere del maggiore consumo di energia elettrica.
Altro fenomeno con cui si può produrre freddo è l'effetto di Ranque, scoperto nel 1933 dal fisico francese Georges Ranque. Inviando tangenzialmente aria compressa presso l'estremità di un tubo (tubo Vortex o tubo di Ranque; fig. 4), alle cui testate si trovano due aperture, una fissa e l'altra regolabile, l'aria compressa esce a temperature differenti dalle suaccennate aperture. Precisamente, dall'apertura più vicina al foro tangenziale esce aria fredda, mentre da quella più lontana, regolabile, aria calda. Partendo da aria secca a temperatura ambiente, si raggiungono così da un lato temperature basse, anche al disotto di −20 °C e dall'altro lato riscaldamenti fino a 100 °C e oltre.
Le cause del fenomeno non sono state ancora chiaramente individuate; dai bilanci energetici risulta che il tubo di Ranque, come macchina termica, è poco vantaggioso e quindi trova impiego solo in casi speciali.
Tuttavia di recente, specie in Russia e in Romania, si sono fatti grandi progressi; con metano, in tubi di dimensioni industriali, si è arrivati a -80 oC.
L'effetto Ranque-Hilsch è il più noto tra i diversi modi con cui si può avere un raffreddamento cinetico. In una vena gassosa in moto vi è un legame, tra la velocità u e la temperatura assoluta, a causa del quale, se la velocità va crescendo, la temperatura del gas si abbassa. Sorge poi il problema di utilizzare fuori del gas una parte del freddo prodotto in esso: si può avere una soluzione mediante l'effetto Pohlhausen (o del termometro a piastra) o in altri modi. Un altro nuovo metodo frigorifero è il criovac, o raffreddamento per evaporazione sotto vuoto, di materie contenenti notevoli quantità di acqua. Quest'ultimo metodo, inizialmente sorto in Francia, trova applicazioni sempre più estese negli S. U. A. per la refrigerazione di prodotti orticoli molto deperibili e con forti tenori d'acqua, quali lattughe, ecc.: presenta particolari vantaggi ai fini di un migliore mantenimento di quelle caratteristiche che costituiscono il pregio dei prodotti.
Nuove tendenze nella fabbricazione del ghiaccio idrico. - La tendenza generale è caratterizzata dagli elementi seguenti: eliminazione delle grandi vasche di salamoia con la conseguente riduzione nell'ingombro degli impianti; maggior uso dell'espansione diretta; automazione spinta; eliminazione di contatti manuali e conseguente produzione di ghiaccio "igienico".
Un procedimento molto interessante di concezione interamente italiana è quello detto (fig. 5) "Fribloc", con la variante "Friplat" per la fabbricazione di ghiaccio in piastre. Fissata sotto il pavimento perforato di una vasca piena d'acqua si trova una serie di stampi metallici verticali a doppia parete. Nell'intercapedine si fa bollire l'agente frigorigeno. L'acqua che riempie gli stampi congela; alla fine del congelamento si inviano nelle intercapedini degli stampi, vapori caldi dell'agente frigorigeno stesso, per cui i blocchi si distaccano dalle pareti dello stampo e galleggiano nell'acqua della vasca, da dove vengono rimossi automaticamente e inviati ai silos. Gli stampi si riempiono nuovamente d'acqua e il processo si ripete.
Sul principio dell'espansione diretta entro la doppia parete degli stampi è fondato un altro dispositivo dovuto a E. Wilbushewich. Qui gli stampi vengono ribaltati automaticamente e i blocchi si riversano su uno scivolo o su un nastro trasportatore che li convoglia al silos (tav. f. t., fig. 3).
Soprattutto per i prodotti della pesca, trova crescente applicazione il ghiaccio in scaglie. Un tamburo refrigerato ruota attorno ad un asse orizzontale lambendo l'acqua contenuta in una vasca. Si forma così una crosta di ghiaccio che aderisce alle pareti del tamburo e viene progressivamente asportata da una lama regolata in modo da dare spessori di ghiaccio prestabiliti. La crosta si spezza in scaglie minute i cui bordi, non taglienti, non ledono i tessuti cutanei del pesce.
Molto usato è anche il ghiaccio in cilindretti cavi o pieni (v. refrigerazione, App. II, ii, p. 677).
Isolanti termici. - A fianco del sughero e dei suoi derivati si accompagna una numerosa famiglia di nuovi isolanti in materie plastiche, quali il polivinile e il polistirolo espanso, caratterizzati da un basso peso specifico medio. La tendenza è di far sì che le cellule che li costituiscono siano indipendenti tra di loro. Di recente, sono comparsi altri isolanti a base di materie plastiche, quali il poliuretano, che vengono spruzzate allo stato liquido sulle superfici che delimitano gli spazî da isolare e si rapprendono quindi in una massa spugnosa più o meno consistente. Con l'apparizione delle materie plastiche, il campo degli isolanti termici è in continua e rapida evoluzione.
Sviluppi ed applicazioni del freddo all'alimentazione, alla medicina e alla farmacologia. - Oltre all'industria del gelato, che si è diffusa su scala nazionale ed ha grandemente contribuito allo sviluppo della catena del freddo, va ricordata quella delle derrate "ultracongelate" che si estende dai cibi naturali, ai piatti confezionati e cucinati, sia per l'esportazione, sia - più recentemente - per il mercato interno (v. alimentare, industria, in questa App.). Nel campo della medicina, acquista un interesse crescente l'ipotermia o perfrigerazione corporea (detta impropriamente ibernazione) degli organismi viventi (v. anestesia, in questa App.). Altre applicazioni del freddo riguardano la conservazione di tessuti viventi come quelli destinati ai trapianti (ossa, arterie, ecc.), di virus, di seme per la fecondazione artificiale, del sangue, ecc. Prende sempre più piede, specialmente nel campo dell'industria farmaceutica, la "liofilizzazione" che consiste nel far congelare una sostanza e farla successivamente sublimare sotto un vuoto molto spinto (tav. f. t., fig. 4). Essa permette di ottenere medicinali, plasma sanguigno, ecc., molto solubili e con proprietà eccellenti, e si è manifestata altresì utile per la preparazione di alcuni prodotti commestibili in polveri molto solubili quali caffè, succhi di frutta, ecc.
Il freddo è pure impiegato là dove si debbono stampare compresse a base di polveri molto igroscopiche; in questo caso esso viene adoperato per l'essiccazione spinta dell'aria ambiente poiché diversamente le polveri, inumidendosi, incrosterebbero gli stampi delle macchine.
I trasporti. - I trasporti aerei si vanno diffondendo sempre più per alcune derrate deperibili pregiate, quali gelati, fiori, primizie ortofrutticole. In genere, data la breve durata del viaggio, si rinunzia ad installare attrezzature frigorifere di bordo - salvo che non si tratti di condizionamento - e il progresso prende di mira l'isolamento termico associato a grande leggerezza, pregi che si possono avere con materie plastiche (v. sopra). In alcuni casi si aggiunge una piccola quantità di ghiaccio secco o anche di ghiaccio idrico. Nei trasporti navali si attuano i progressi notati per gli impianti fissi.
I trasporti terrestri si svolgono nella perenne concorrenza tra strada e rotaia. Due grandi organizzazioni internazionali provvedono oggi in Europa al coordinamento dei servizî su rotaia e su strada. I veicoli, che devono avere tutti un buon isolamento, secondo norme internazionali si dividono in tre grandi categorie: veicoli detti "isotermi", senza sorgente di freddo, destinati a trasportare prodotti prerefrigerati; veicoli "refrigeranti", che portano seco una provvista di ghiaccio idrico o ghiaccio secco o altri accumulatori di freddo (piastre eutettiche); veicoli "frigoriferi" provvisti di macchina frigorifera, che di solito è a compressione di vapori saturi. Non mancano tuttavia esempî (Svezia e URSS) di interi treni frigoriferi nei quali un carro è adibito al trasporto del macchinario: il freddo viene distribuito mediante canalizzazioni flessibili d'aria che congiungono il carro-centrale ai vagoni singoli. Le ferrovie italiane hanno recentemente costruito un nuovo carro frigorifero con caratteristiche interessanti che sono state imitate nelle recenti costruzioni di numerose nazioni europee. Il cassone per il ghiaccio è caratterizzato da pareti ribaltabili in modo che - all'occorrenza - si aumenta la capacità utile; inoltre, l'aria viene agitata da ventilatori elettrici alimentati durante la corsa da alternatori accoppiati agli assali e, nelle soste prolungate, da energia elettrica presa dalle reti.
Nel settore degli autotrasporti si assiste ad un continuo progresso reso possibile dai miglioramenti delle strade e dallo sviluppo delle autostrade. Si ricorre, in genere, al tipo "frigorifero" con generatore di freddo automatico che può essere anche installato in un rimorchio separato dalla motrice. Vedi tav. f. t.
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