Storia e applicazioni della chimica/Frigorifero

Il frigorifero è un dispositivo che ha lo scopo di abbassare la temperatura in un determinato ambiente, tipicamente per la conservazione del cibo e di altre sostanze in maniera sicura e per periodi più o meno lunghi di tempo.

Esso è strutturato in modo tale da sottrarre calore dall'interno, trasferendolo successivamente nell'ambiente esterno.

Storia

Uno dei primi frigoriferi con scambiatore di calore cilindrico posto in alto. Attualmente collocato nel Birmingham Science Museum.

Il primo brevetto relativo a una macchina capace di generare artificialmente il freddo è datato 1851, ad opera dell'americano John Gorrie, ma non venne mai realizzata. Nel 1876 il fisico francese Charles Tellier progettò e fece realizzare il primo vero e proprio impianto frigorifero all'interno di un piroscafo che doveva trasportare un carico di carne macellata dall'Argentina alla Francia. Successivamente, agli inizi del 1900 cominciò la produzione in serie e la vendita di tali apparecchi ai privati: il primo frigorifero elettrico fu il Domelre (domestic electric refrigerator) nel 1913, seguito dal Frigidaire nel 1916.

Molto attiva nel corso del XX secolo è stata la ricerca di refrigeranti efficienti e non pericolosi per l'ambiente.

Struttura

Schema della struttura di un frigorifero

il frigorifero è generalmente composto da:

• scocca esterna in lamiera liscia, realizzata in modo da non far comparire la ruggine;
• porta, collegata al corpo esterno del frigorifero tramite elementi isolati per evitare le dispersione delle temperature basse contenute all'interno;
• intercapedine, contenente un isolante termico in grado di mantenere costante il freddo contenuto nella cella interna;
• cella interna in plastica o alluminio, contenente dei ripiani o cassetti utilizzati per conservare gli alimenti e le bevande;
• ripiani, posizionati in modo da permettere una corretta circolazione dell'aria fredda interna;
• guarnizioni in gomma o plastica, presenti tra la porta e la cella per evitare la perdita di aria fredda;
• circuito frigorifero, situato nella parte retrostante del frigorifero (e in parte nell'intercapedine), composto da quattro elementi fondamentali
  • compressore
  • condensatore
  • evaporatore
  • espansore
• impianto elettrico, necessario per il funzionamento dell'apparecchio.

Funzionamento del frigorifero

Le tecnologie esistenti per la refrigerazione sono:

• ciclo a compressione di vapore
• ciclo ad assorbimento
• effetto termoelettrico
• evaporazione adiabatica
• raffreddamento laser
• refrigerazione a diluizione

Nel primo, che è il più diffuso, il funzionamento è legato ai processi termodinamici che avvengono al suo interno. Questi processi non sono spontanei, ma dovuti all'impiego di un condensatore elettrico, che comprime il gas utilizzato (come ad esempio il Freon), aumentando, secondo la prima legge fondamentale della termodinamica, il suo calore.

Questo gas ad alta temperatura e pressione scambia calore con l'ambiente esterno, dando inizio a un processo di condensazione.

Il liquido refrigerato viene poi immesso in una valvola di espansione, che abbassa la sua pressione.

A questo punto il liquido, che ha temperatura minore dell'aria all'interno del frigorifero, assorbe calore dall'interno di quest'ultimo, tornando quindi allo stato gassoso.

Una volta verificatosi il processo di evaporazione, il gas ritorna nel condensatore elettrico e l'operazione si ripete.

Gas utilizzati

Una tra le sostanze più usate per la refrigerazione è stato per molti anni il Freon, nome commerciale di una famiglia di composti chimici derivanti dal metano e dall'etano per alogenazione (sostituzione di atomi di idrogeno con cloro, fluoro e bromo). I composti di questo tipo sono degli alogenuri alchilici: in particolare, per il loro largo utilizzo nell’industria frigorifera vengono indicati con la sigla CFC (acronimo di clorofluorocarburi).

La sostituzione di un atomo di idrogeno con il fluoro porta ad un aumento di densità, mentre la sostituzione di un atomo di idrogeno con un atomo di cloro porta ad un aumento del calore latente di evaporazione e una riduzione della temperatura di ebollizione del fluido. Per tale motivo i vari tipi di Freon costituiscono i fluidi refrigeranti ideali per i cicli frigoriferi a compressione, anche grazie alla sicurezza nel loro utilizzo oltre che per la loro stabilità nei confronti di molti agenti chimici.

Tuttavia, l'uso di questi composti si è drasticamente ridotto a seguito della scoperta della loro implicazione nell'assottigliamento della fascia di ozono che avvolge la Terra e la protegge dai raggi ultravioletti dannosi del Sole. Nel 1987 sono stati quindi banditi in seguito all'approvazione protocollo di Montréal, reso operativo nell'Unione europea nel 1994, con precise scadenze temporali progressive per la loro eliminazione (fino al 2030).

Bibliografia

• Rachel Casiday e Regina Frey, Refrigeration and Phase Changes, chemistry.wustl.edu, Washington University, 1999
• Andrea Ciccioli, Clorofluorocarburo, Enciclopedia della Scienza e della Tecnica Treccani, 2008
• Mark O. McLinden e Marcia L. Huber, (R)Evolution of Refrigerants, J. Chem. Eng. Data 2020, 65, 4176−4193
• Il frigorifero, in L'Amaldi 2.0, Zanichelli, Bologna, 2010