I componenti: Scambiatore di calore, compressore e valvola di espansione
Introduzione: I mattoni della pompa di calore
Una pompa di calore è composta da quattro componenti principali che lavorano insieme in un ciclo:
- Evaporatore (scambiatore di calore per l'assorbimento del calore)
- Compressore (cuore del sistema)
- Condensatore (scambiatore di calore per la cessione del calore)
- Valvola di espansione (riduzione della pressione)
A questi si aggiunge il refrigerante, che circola attraverso tutti i componenti. In questo articolo esamineremo ogni componente in dettaglio.
Lo scambiatore di calore: Dare e ricevere calore
Senza lo scambiatore di calore, la moderna tecnologia del riscaldamento e del raffreddamento sarebbe difficilmente immaginabile. Questo componente svolge il compito fondamentale di assorbimento e cessione del calore.
Principio di funzionamento
In uno scambiatore di calore, il calore viene scambiato tra due mezzi senza che i mezzi entrino in contatto diretto.
Importante: Il calore si sposta sempre dal caldo al freddo – è il secondo principio della termodinamica in azione.
Il trasferimento di calore avviene principalmente tramite:
- Conduzione: Trasmissione del calore attraverso i materiali
- Convezione: Trasporto del calore attraverso mezzi in movimento
Esempi dalla vita quotidiana
Gli scambiatori di calore sono presenti in molti dispositivi di uso quotidiano:
| Dispositivo | Assorbimento calore | Cessione calore |
|---|---|---|
| Radiatore auto | Liquido di raffreddamento caldo | Aria in transito |
| Frigorifero | Interno | Retro (griglia) |
| Pompa di calore | Ambiente (aria/terra) | Acqua del riscaldamento |
Tipi di scambiatori di calore
Scambiatore a tubi
Struttura:
- Un tubo con un mezzo circolante
- Spazio definito intorno al tubo con un altro mezzo
- Il calore viene trasferito attraverso la parete del tubo
Vantaggi:
Gli scambiatori a tubi si distinguono soprattutto per la loro semplicità:
| Vantaggio | Spiegazione |
|---|---|
| Costruzione semplice | Pochi componenti |
| Robusto | Insensibile alle variazioni di pressione |
| Facile manutenzione | Semplice da pulire |
| Economico | Produzione poco costosa |
Svantaggi:
La semplicità comporta tuttavia alcune limitazioni:
| Svantaggio | Spiegazione |
|---|---|
| Minore efficienza | Superficie di scambio ridotta |
| Maggiore ingombro | Richiede più spazio |
Scambiatore a piastre
Struttura:
- Più piastre con piccoli interspazi
- Mezzo caldo e freddo alternati
- Flusso in controcorrente per massima efficienza
Vantaggi:
La costruzione compatta offre vantaggi decisivi:
| Vantaggio | Spiegazione |
|---|---|
| Alta efficienza | Grande superficie |
| Compatto | Poco ingombro |
| Espandibile | Possibilità di aggiungere piastre |
Svantaggi:
La maggiore complessità presenta tuttavia degli svantaggi:
| Svantaggio | Spiegazione |
|---|---|
| Costi più elevati | Produzione più complessa |
| Sensibile alla pressione | Guarnizioni delicate |
| Più difficile da pulire | Molti piccoli canali |
Impiego nelle pompe di calore
Nelle pompe di calore vengono utilizzati diversi tipi di scambiatori a seconda della posizione:
| Posizione | Denominazione | Tipo di scambiatore |
|---|---|---|
| Ingresso | Evaporatore | Tubi alettati o piastre |
| Uscita | Condensatore | Scambiatore a piastre saldate |
Il compressore: Il cuore del sistema
Questo componente è responsabile della compressione del refrigerante. Mediante la compressione, la temperatura sale a un livello utilizzabile.
Principio di funzionamento
- Il refrigerante gassoso viene aspirato dall'evaporatore
- Il compressore comprime meccanicamente il gas
- La pressione aumenta → la temperatura aumenta
- Il gas caldo viene inviato al condensatore
Il compressore è il vero e proprio "pompaggio" nella pompa di calore!
Struttura
Un compressore è composto da:
- Unità di azionamento: Di solito un motore elettrico
- Area di compressione: Rotori a spirale o pistoni
Tipi di compressore
Compressore scroll (standard per le pompe di calore)
Principio di funzionamento:
- Due elementi a spirale
- Uno fisso, uno mobile
- Movimento eccentrico che comprime il gas
Vantaggi:
I compressori scroll si sono affermati come standard per buoni motivi:
| Vantaggio | Spiegazione |
|---|---|
| Molto silenzioso | Nessun movimento a impulsi |
| Alto rendimento | Compressione efficiente |
| Lunga durata | Bassa usura |
| Erogazione costante | Funzionamento regolare |
Compressore inverter (moderno)
Combina il compressore scroll con un inverter:
- Velocità del motore variabile
- Adatta la potenza alla richiesta
- Nessuna accensione/spegnimento continuo → meno usura
Vantaggi:
La velocità variabile porta vantaggi decisivi:
| Vantaggio | Spiegazione |
|---|---|
| Efficiente dal punto di vista energetico | Solo la potenza necessaria |
| Silenzioso | Nessun rumore di avviamento |
| Duraturo | Sollecitazione ridotta |
| Regolazione precisa | Temperatura costante |
Altri tipi di compressore
Oltre a quelli citati, esistono altri tipi di compressori per applicazioni speciali:
| Tipo | Applicazione |
|---|---|
| Compressore a pistone | Grandi impianti frigoriferi |
| Compressore rotativo | Piccoli climatizzatori |
| Turbocompressore | Impianti industriali |
La valvola di espansione: L'antagonista
La valvola di espansione è l'antagonista del compressore. Regola il riflusso del refrigerante dal condensatore all'evaporatore.
Principio di funzionamento
Dopo la cessione di calore nel condensatore, il refrigerante ha ancora:
- Pressione elevata
- Temperatura elevata
La valvola di espansione:
- Riduce la pressione attraverso un rilascio controllato
- Di conseguenza la temperatura scende
- Il refrigerante è pronto per il ciclo successivo
Tipi di valvole
Valvole di espansione non regolate
- Costruzione semplice
- Apertura fissa
- Per sistemi semplici (es. frigoriferi)
Valvole di espansione regolate
- Regola automaticamente la portata
- Reagisce a temperatura e pressione
- Standard per le pompe di calore
Grazie alla regolazione, la potenza termica può essere impostata con precisione.
Il refrigerante: Il fluido speciale
Senza le proprietà particolari del refrigerante, le pompe di calore non potrebbero funzionare.
Cosa rende speciale un refrigerante?
I refrigeranti hanno proprietà fisiche particolari che li rendono ideali per questo impiego:
| Proprietà | Significato |
|---|---|
| Basso punto di ebollizione | Evapora già a basse temperature |
| Alta capacità termica | Assorbe molto calore |
| Cambio di fase | Passa efficientemente da liquido a gassoso |
Refrigerante vs. liquido di raffreddamento
Attenzione: Questi termini vengono spesso confusi! Un confronto mostra chiare differenze:
| Refrigerante | Liquido di raffreddamento | |
|---|---|---|
| Stato di aggregazione | Cambia (liquido ↔ gassoso) | Rimane invariato |
| Trasferimento calore | Tramite cambio di fase | Solo tramite flusso |
| Applicazione | Pompe di calore, climatizzatori | Raffreddamento motori |
Refrigeranti utilizzati
Refrigeranti naturali
I refrigeranti naturali sono più ecologici, ma hanno ciascuno specifici vantaggi e svantaggi:
| Denominazione | Proprietà |
|---|---|
| Propano (R290) | Ecologico, leggermente infiammabile |
| CO2 (R744) | Non infiammabile, alta pressione |
| Ammoniaca (R717) | Molto efficiente, tossico |
Refrigeranti sintetici
I refrigeranti sintetici vengono sempre più sostituiti da alternative più ecologiche:
| Denominazione | Status |
|---|---|
| R410A | Ancora consentito, in fase di dismissione |
| R32 | Standard moderno |
| R1234yf | Tecnologia del futuro |
Refrigeranti vietati
A causa di normative ambientali e di sicurezza sono vietati:
- CFC (es. R11) – Distruttori dello strato di ozono
- HCFC (es. R22) – Gas serra
- Dal 2025: Ulteriori HFC con alto GWP
GWP (Global Warming Potential): Misura del potenziale di riscaldamento globale di una sostanza.
L'interazione di tutti i componenti
Evaporatore (esterno)
│
│ Gas (freddo)
↓
Compressore ←── Elettricità
│
│ Gas (caldo, alta pressione)
↓
Condensatore (interno)
│
│ Liquido (caldo)
↓
Valvola di espansione
│
│ Liquido (freddo, bassa pressione)
↓
ritorno all'evaporatoreIl flusso energetico
- Calore ambientale (gratuito) → Evaporatore
- Corrente elettrica → Compressore
- Calore utile → Riscaldamento
La particolarità: Con 1 kWh di elettricità si ottengono 3–5 kWh di calore!
Conclusione
In sintesi: Ogni componente ha il suo compito specifico nel sistema complessivo. L'evaporatore assorbe calore dall'ambiente, il compressore aumenta la temperatura, il condensatore cede calore al riscaldamento e la valvola di espansione riduce pressione e temperatura. Il refrigerante trasporta il calore tra i componenti. Solo nella perfetta interazione la pompa di calore funziona in modo efficiente.
Prossimo passo: Indicatori e dimensionamento delle pompe di calore
La serie completa di articoli "Pompe di calore"
- L'anti-frigorifero: Come funziona una pompa di calore? – Fondamenti
- I componenti: Scambiatore di calore, compressore e valvola di espansione – Siete qui
- Indicatori e dimensionamento delle pompe di calore – COP, SPF e altro
- Modalità operative: Monovalente, bivalente e ibrida – Tipi di funzionamento
- Tipi di pompe di calore e l'abbinamento con gli impianti solari – Aria-acqua, geotermica e solare