FRIGORIFERI DI PICCOLE DIMENSIONI AD AMMONIACA (*)
L'ammoniaca anidra (NH3) è stata
usata per molti anni per compiere attività varie per le quali era necessaria
aria condizionata o refrigerazione. Il termine "Ammoniaca anidra" letteralmente
significa "Ammoniaca senza acqua", l'Acqua Ammoniacale è invece una soluzione di
ammoniaca ed acqua, usata nei sistemi di refrigerazione e condizionatori d'aria
non del tipo a compressione del vapore. I sistemi a compressione di vapore
utilizzano i compressori per comprimere il vapore dell'ammoniaca. I sistemi del
tipo di assorbimento non utilizzano un compressore, ma utilizzano
preferibilmente un generatore. L'esposizione sotto stante verte esclusivamente
su tali sistemi. Si presuppone che il lettore possieda una certa conoscenza dei
principi in tema di refrigerazione e che sia informato sui cicli e pressioni
relativi alla refrigerazione in generale. Nel caso occorresse documentarsi, si
faccia riferimento alla documentazione disponibile in rete sul tema. Si
consiglia la consultazione della pubblicazione "Ammonia Refrigeration Basics"
nel caso in cui si volesse meglio comprendere il tema esposto.
IL CICLO PRODUTTIVO
Il sistema intermittente di assorbimento utilizza un generatore caricato con
acqua e ammoniaca. Una fonte di calore, solitamente una fiamma alimentata con
cherosene, riscalda questa soluzione nel generatore. L'ammoniaca passa allo
stadio di vapore e, pertanto, viene scissa dall'acqua. Un condensatore, nella
parte superiore del circuito, ha lo scopo di riportare i vapori di ammoniaca che
lì confluiscono allo stato liquido. Per gravità passano quindi nel recettore
sottostante e, successivamente, nell'evaporatore. Durante il ciclo di
generazione, l'effetto di refrigerazione è pressoché nullo. Al raffreddarsi del
sistema, la pressione diminuisce, producendo l'effetto di portare ad ebollizione
l'ammoniaca liquida nell'evaporatore (flash off) e a sottrarre calore. Il ciclo
si completa quando l'ammoniaca vaporizzata viene riassorbita nella soluzione di
acqua ammoniacale all'interno del generatore.
L'esempio in figura "A" illustra operativamente la fase di generazione. Il
serbatoio del cherosene per il bruciatore contiene la giusta quantità di
carburante per far avvenire un solo ciclo. Questo ciclo avviene normalmente una
volta al giorno. Il bruciatore viene quindi acceso. La miscela di ammoniaca ed
acqua (acqua ammoniacale, detta anche miscela marrone) viene scaldata nel
generatore. Il vapore di ammoniaca (di colore marrone rossiccio) viene
convogliato nel tubo (A) fino al condensatore raffreddato ad aria. Qui il gas di
ammoniaca viene raffreddato e portato allo stato di ammoniaca liquida (di colore
rosso). Il liquido passa nel ricettore. Si noti la valvola di ritegno
unidirezionale fra il condensatore ed il ricettore del liquido, che serve ad
impedire il passaggio inverso di liquido nel condensatore. Inoltre si noti il
piccolo orifizio del limitatore che viene successivamente chiuso durante il
ciclo di refrigerazione del sistema. Quando tutto il carburante è stato bruciato
(solitamente 20 - 40 minuti), il ciclo di generazione ha termine.
IL CICLO DI REFRIGERAZIONE
La pressione nel sistema diminuisce al raffreddarsi dell'acqua che assorbe i
vapori di ammoniaca. L'ammoniaca liquida (blu chiaro) passa attraverso
l'evaporatore, inizia la trasformazione allo stato gassoso, con conseguente
raffreddamento. L'ammoniaca allo stato gassoso (blu acqua) ritorna indietro
attraverso il tubo (B), unendosi nuovamente all'acqua nel generatore. La
refrigerazione continua, solitamente fino alla successiva accensione del
bruciatore a cherosene. Il piccolo orifizio limitatore adempie a due funzioni,
permette che il liquido entri nell'evaporatore controllandone il livello. Ciò
protegge l'evaporatore dall'eccessivo riempimento. Il limitatore inoltre funge
da valvola di espansione per ottenere una differenza di pressione. Valori
differenziali di pressione sono essenziali al ciclo di refrigerazione poiché si
produce l'effetto di far cambiare il punto di ebollizione dell'ammoniaca liquida
da una data temperatura in presenza di alta pressione ad un altro associato a
pressione più bassa. Senza questo calo di pressione la refrigerazione non si
verificherebbe ed il sistema fungerebbe semplicemente da contenitore
dell'ammoniaca.
Questo tipo di sistema di refrigerazione è abbastanza semplice. Le condutture
sono realizzate in acciaio saldato in quanto le pressioni durante il ciclo di
generazione sono abbastanza alte. L'effetto di refrigerazione è abbastanza
buono. I frigoriferi ad assorbimento riscaldati a fiamma di cherosene sono
diffusi nelle zone dove l'energia elettrica non è disponibile.
Altri tipi di alimentazione del bruciatore possono essere il propano o il gas
naturale. In molti casi vengono usati sistemi con bruciatore a propano, con
l'aggiunta di un piccolo sistema di ventilazione a 12 volt per migliorare il
raffreddamento all'interno della sezione dell'evaporatore del frigorifero
(contenitore del ghiaccio). Sul mercato vi sono attualmente molti tipi di
frigoriferi ad assorbimento e non solo di piccola dimensione. Il processo
teorico di funzionamento descritto è stato applicato a sistemi commerciali molto
grandi, lasciandolo pressoché inalterato.
Gli interventi di riparazione della maggior parte dei piccoli frigoriferi di
questo tipo non possono essere effettuati "on site" a causa della criticità di
alimentazione del liquido refrigerante (la giusta quantità di acqua ammoniacale)
e la tipologia di costruzione del sistema. Se su una piccola unità si produce
una perdita, la cosa migliore da fare è di sostituirla con una nuova. La maggior
parte dei fornitori progettano le unità in modo che durino un periodo di tempo
molto lungo, ma un'unità danneggiata deve essere sostituita (in caso di perdita
del liquido refrigerante). La manutenzione può e dovrebbe essere effettuata sul
complessivo del bruciatore e sulle condutture che alimentano il propano o il
cherosene. La maggior parte delle perdite dell'acqua ammoniacale sono facili da
individuare, così come lo sono le perdite di ammoniaca anidra, poiché l'odore è
molto forte e ciò aiuta nella rilevazione anche della più piccola perdita.
SISTEMI AD ASSORBIMENTO A CICLO CONTINUO
Sono disponibili altri tipi di sistemi ad assorbimento. L'unità di
raffreddamento ad assorbimento basate sul ciclo continuo funzionano con una
quantità limitata di calore. Questo calore è fornito da gas, da elettricità, o
da cherosene. Non vi sono parti in movimento. Il funzionamento dell'unità di
refrigerazione si basa sulla legge di Dalton.
LA LEGGE DI DALTON
Uno dei sistemi di refrigerazione esistenti del tipo ad assorbimento si basa,
come principio di funzionamento, sulla legge di Dalton delle pressioni parziali.
L'enunciato della legge è il seguente:
"La pressione totale di una limitata miscela di gas è la somma delle pressioni
di ciascuno dei gas nella miscela.
La pressione totale dell'aria in un cilindro compresso d'aria è la la risultante
della somma di quella dell'ossigeno, dell'azoto e dei gas di 'anidride carbonica
e della pressione del vapore acqueo."
La legge inoltre spiega che ogni gas si comporta come se occupasse lo spazio da
solo.
Passando alla parte esplicativa, il frigorifero ad assorbimento usa due gas,
ammoniaca ed idrogeno. L'ammoniaca, a temperatura ambiente, è assorbita
dall'acqua nel sistema chiuso.
Il riscaldamento di questa soluzione porta alla dissociazione dell'ammoniaca.
(l'idrogeno non è assorbito dall'acqua e rimane allo stato gassoso). A causa del
fatto che la pressione è più bassa, l'ammoniaca passa allo stato liquido nel
condensatore. La pressione è uniforme nell'ambito del sistema. La pressione
totale nel sistema è la risultante della somma di quella del vapore di ammoniaca
più la pressione dell'idrogeno. Fino a quando la pressione del vapore di
ammoniaca è inferiore a quella della sola componente ammoniacale, l'ammoniaca
continua ad evaporare. Questa tende a raggiungere la pressione del vapore che
corrisponde alla temperatura all'interno del dispositivo di assorbimento.
Questo dispositivo di refrigerazione è ampiamente utilizzato nei frigoriferi
domestici e nei veicoli ricreazionali. E' inoltre usato per i sistemi di
condizionamento estate/inverno sia nelle abitazioni private, sia negli edifici
di più ampia dimensione. L'unità si compone di quattro parti principali(v.
Figura "C"): la caldaia, il condensatore, l'evaporatore e il dispositivo di
assorbimento. Quando l'unità funziona a cherosene o a gas, il calore è
assicurato da un bruciatore. Questo elemento è posizionato sotto il tubo
centrale (A). Nel funzionamento ad elettricità, il calore è prodotto da un
elemento inserito in una tasca (B).
La carica dell'unità è composta da una miscela di ammoniaca, acqua e idrogeno.
Questi sono ad una pressione sufficiente per far condensare l'ammoniaca alla
temperatura ambiente. Quando viene riscaldata, si producono bolle di gas
d'ammoniaca. Queste via via aumentano e trasportano con loro quantità di
soluzione debole di ammoniaca, attraverso la pompa a sifone (C). Questa
soluzione debole passa nel tubo (D), mentre il vapore di ammoniaca passa nel
tubo del vapore (E) e sopra al separatore dell'acqua. Qui tutto il vapore acqueo
si condensa e ritorna nuovamente dentro la caldaia, lasciando che il vapore
asciutto di ammoniaca passi nel condensatore. Il condensatore è dotato di alette
di raffreddamento che contribuiscono a far raffreddare il vapore di ammoniaca a
mezzo dell'aria che circola esternamente. Il processo di condensazione porta
alla formazione di ammoniaca liquida che, a sua volta, viene convogliata
nell'evaporatore.
Nell'evaporatore confluisce idrogeno. L'idrogeno passa attraverso lo strato di
ammoniaca. Ciò produce l'effetto di abbassare la pressione del vapore di
ammoniaca, abbastanza da permettere che l'ammoniaca liquida passi allo stato
gassoso. L'evaporazione dell'ammoniaca estrae calore dall'evaporatore. Ciò, a
sua volta, estrae calore dal comparto per alimenti ove lo stesso è posizionato,
abbassando quindi la temperatura all'interno dell'intero frigorifero.
La miscela allo stato di vapore fra ammoniaca ed idrogeno passa dall'evaporatore
al dispositivo di assorbimento. Un gocciolamento continuo di soluzione debole di
ammoniaca entra nella parte superiore del dispositivo di assorbimento.
L'alimentazione avviene per gravità attraverso il tubo (D). Questa soluzione
debole scende attraverso il dispositivo di assorbimento. Entra quindi in
contatto con la miscela gassosa di ammoniaca e idrogeno ed assorbe rapidamente
l'ammoniaca dalla miscela. L'idrogeno è pertanto libero di espandersi attraverso
la serpentina del dispositivo di assorbimento e ritornare nell'evaporatore.
L'idrogeno circola continuamente fra dispositivo di assorbimento ed evaporatore.
La soluzione forte di ammoniaca che si produce all'interno del dispositivo di
assorbimento scende nel contenitore sottostante e, successivamente rientra nella
caldaia, completando così il ciclo di funzionamento.
Questo ciclo è a funzionamento continuo, fino a che si produce calore nella
caldaia. Un termostato che controlla la fonte di calore regola la temperatura
dello spazio refrigerato.
Tenuto conto che il liquido refrigerante è ammoniaca, si possono ottenere
temperature abbastanza basse. La maggior parte dei sistemi richiedono
dispositivi elettrici, pertanto occorre che siano assicurati gas ed elettricità.
Tranne i comandi e (in alcuni casi) i ventilatori termostatici, non vi sono
parti in movimento.
La manutenzione è normalmente abbastanza semplice. Il bruciatore ed il tubo di
scarico devono essere mantenuti puliti. Prima di metterlo in esercizio, il
frigorifero dovrebbe essere attentamente livellato.
Lo scarto in pressione in questo tipo di sistema è ottenuto attraverso
l'idrogeno, il quale provoca una variazione di pressione nell'ammoniaca e
permette che la stessa bolla al di fuori, nell'evaporatore (flash off).
(*) Nota: Il testo originale è stato acquisito all'indirizzo
http://www.nh3tech.org/absorption.html ed è stato tradotto per soli scopi
divulgativi, senza fini di lucro.
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