Le pompe di calore e i refrigeranti: funzionamento e coefficiente di prestazione
Le apparecchiature come le pompe di calore, i condizionatori e i refrigeranti sfruttano il trasferimento di calore da una sorgente a temperatura più bassa a una sorgente a temperatura più alta.
Un ciclo termodinamico è composto da trasformazioni su un fluido in modo che torni alle condizioni iniziali di pressione, volume e temperatura. Il ciclo termodinamico può essere diretto, se trasforma calore in lavoro, o inverso, se trasferisce calore da un corpo a temperatura più bassa a un altro a temperatura più alta.
Per il secondo principio della termodinamica, il ciclo inverso richiede lavoro meccanico. Se serve a sottrarre calore da un ambiente a una temperatura più bassa della temperatura esterna, è detto ciclo frigorifero; se invece è realizzato per somministrare calore ad un ambiente a temperatura maggiore rispetto a quella esterna, si tratta di una pompa di calore.
Il trasferimento di calore avviene da un serbatoio freddo Qc a uno caldo, mediante l’effetto del lavoro W che viene convertito in trasferimento di calore secondo l’equazione Qh = Qc + W.
Le componenti di un impianto frigorifero sono il compressore, il condensatore, lo strozzatore e l’evaporatore. Il coefficiente di prestazione COPref valuta la quantità di calore trasferito Qc in rapporto al lavoro W.
Un altro metodo per valutare la qualità di un impianto refrigerante è dato dal Coefficiente di effetto utile (EER), definito come EER = Qc t2 / W t1.
Le pompe di calore sono macchine in grado di trasportare il calore da un ambiente a un altro. In estate, sottraggono calore all’ambiente che si vuole rinfrescare, portandolo all’esterno; in inverno forniscono calore all’ambiente che si vuole riscaldare, sottraendolo all’ambiente esterno.
Il principio di funzionamento delle pompe di calore è lo stesso del frigorifero quando si vuole raffreddare e l’opposto quando si vuole riscaldare. In quest’ultimo caso, il fluido circolante assorbe calore dall’esterno e lo cede all’interno della struttura. Le fasi coinvolte sono l’evaporazione, la compressione, la condensazione e l’espansione.
La qualità di una pompa di calore viene valutata in funzione del calore trasferito Qh rispetto al lavoro richiesto. Il coefficiente di prestazione COPhp rappresenta questo rapporto.