“C'era una volta il Freddo...” potrebbe così iniziare un racconto fra molto tempo quando l'effetto serra, procedendo con gli attuali incrementi, antropici ed industriali, dovesse riscaldare l'atmosfera oltre certi limiti, sostenibili dall'uomo e dalla natura.
Freddo e caldo sono lo stesso fenomeno differenziale e bidirezionale: l'intervallo sulle terre abitate è circa -50 / +50 C mentre quello normalmente confortevole è +20/25 C tra inverno ed estate per l'interno delle case. Una via di mezzo tra ambiente esterno e benessere fisiologico è l'esigenza di molti alimenti, orientativamente -10 / +10 C: ma il campo ottimale è più esteso, dal congelamento alla consumazione, e molto variabile a seconda del cibo da conservare. Ovviamente il termometro sale verso i 100 C e li supera nella preparazione e bollitura delle sostanze nutritive, cucinate dalla notte dei tempi con il fuoco della legna, poi dal carbone e recentemente dalla fiamma del gas metano. Tornando all'essere umano i cicli stagionali offrono spontaneamente benesseri opposti soltanto al sole e all'ombra, oltre ai venti e alle piogge, rispettivamente d'inverno e d'estate nonchè alle alte e basse latitudini. E soprattutto ripari di ogni genere, a partire dalle caverne degli antenati, per una rudimentale climatizzazione delle genti e dei loro raccolti di caccia, pesca e quant'altro: ciò al meglio delle loro capacità e delle condizioni locali. Un esempio, vicino e storico, quello dell'università statale di Milano ove sono visibili i cortili interni dell'ex "Spedale Cà Grande del Filatere" in cui 500 anni fa vennero fatte due grandi buche: la legnaia e la ghiacciaia, questa restaurata con la doppia parete; all'interno erano i viveri per i 3500 degenti più il personale, nella corona circolare tonnellate di neve.

Il freddo artificiale 50 anni fa era già presente nelle città e con temperature ben più spinte, comunque ricordo ancora la neviera di un paese collinare: un pozzo profondo in un bosco a nord delle case, in cui d'estate si attingeva il freddo residuo per le necessità culinarie. L'uomo ha poi "curiosato nella natura" scoprendo le leggi della termodinamica e realizzando le applicazioni della tecnologia, tra le quali, appunto la refrigerazione ai vari livelli di temperatura, oltre che di potenzialità, a salire dal fabbisogno di prodotti inorganici ed organici sino al condizionamento con deumidificazione dell'aria estiva; e volendo proseguire ecco il riscaldamento con l'effetto pompa di calore, utilizzando appropriatamente il lato caldo del ciclo frigorifero. Questo ciclo è tradizionalmente noto e diffuso con un compressore, alternativo o rotativo, azionato elettricamente: aspira un fluido frigorigeno (dall'evaporatore, ove crea il freddo) e lo comprime (nel condensatore, disperdendo il caldo), chiudendo così il circuito ermeticamente e ripetendolo quanto basta a piena potenza e in parzializzazione. In questa occasione professionale è preferibile però scrivere qualche annotazione sull'altra tipologia frigorifera, meno conosciuta e distribuita quale è la "refrigerazione ad assorbimento" (*) basata su scambi termochimici: e vista la sua primogenitura nella scoperta scientifica, rispetto a quella a compressione, la scansione descrittiva sarà con "verbi temporali".

Passato antico

Prima della fine del 1700 nasce concettualmente il ciclo frigorifero ad assorbimento, realizzato praticamente da Carré nel 1859 con una soluzione binomia di acqua (solvente) ed ammoniaca (soluto). Successivi perfezionamenti tecnologici in questo secolo hanno portato ad installazioni industriali della società Linde e Borsig, e collocazioni residenziali dell'Arkla Servel e Briant Electrolux. Ho fatto in tempo a vedere entrambi i tipi: un frigorifero a resistenza elettrica per gli alimenti in una casa affittata nel 1959, e pochi anni dopo un grande assorbitore a vapor acqueo, destinato a lasciare il posto ad elettrocompressori, in una fabbrica di lastre fotografiche. Ho visto anche, molti anni fa, una progettazione del Politecnico milanese che occupava tutto un loro locale ma di esigua potenza, essendo un prototipo e non di serie (come mi precisò la professoressa Bonaguri, illustre e volitiva).

Passato recente

In quel tempo iniziava l'epoca della soluzione - ma sotto vuoto spinto - di bromuro di litio (a compiti invertiti, il refrigerante era l'acqua anzichè l'ammoniaca) e la mia nuova attività si aggiornava con la documentazione di queste "macchine statiche" e poi con tutte le esperienze per giungere all'utilizzo dei frigoassorbitori per condizionamento. I costruttori di allora erano tre aziende pilota, tuttora al vertice (ma non più sole) della notorietà e delle referenze internazionali. In una di queste, U.S.A. 1967, durante un corso per la refrigerazione ricevetti un “attestato scolastico” per questi refrigeratori d'acqua; inoltre, sempre a conferma del mio interesse specialistico, i frigoriferi ad assorbimento sono stati l'oggetto della mia prima relazione (convegno dell'Associazione Termotecnica Italiana, 1973) e pubblicazione (rivista Progettista Installatore, 1973).

Presente prossimo

I gruppi sono rimasti sostanzialmente uguali nella versione base, ma arricchiti di novità e con la variante bistadio a vapore o a fiamma. Una trattazione generale in un contesto moderno è nel mio libro PEG/MASSON 1993 "Refrigerazione in Cogenerazione" ed in alcuni articoli successivi ho richiamato l'attenzione su particolari progettazioni frigorifere, quindi anche con detti gruppi.

Oggi la gamma di questi prodotti e dei loro produttori si è estesa, e così i distributori in Italia, a conferma dell'aumentato interesse di mercato; soprattutto in qualche nazione dell'estremo oriente ove coincidono alta tecnologia, maggior convenienza della mano d'opera, minor disponibilità di elettricità rispetto al gas naturale. Ma calati nella nostra realtà e difficoltà nazionale, l'importazione e la vendita non sono altrettanto facilitati.

Futuro vicino

Tra i provvedimenti auspicabili a breve occorre contenere i costi primi ed operativi, ben superiori ai concorrenti frigoriferi elettrici in Italia, salvo eccezioni. Pertanto una politica aziendale di sconti mirati ed una governativa di detassazione parziale estiva del metano, dato che i gruppi ad assorbimento primeggiano soltanto in tre situazioni: carenza di elettricità, disponibilità di scarti di calore, cogenerazione termica da autoproduzione elettrica.

Sono auspicabili miglioramenti del ciclo termofrigorifero attraverso altre miscele di sostanze e combinazione di componenti allo studio; ad esempio un'esecuzione a tre stadi con COP 1,5 (**) attualmente in progetto presso il Gas Research Institute: ovviamente l'economicità di esercizio deve poter giustificare l'onere della novità necessitando di una fonte a 250 C, cioè a maggior valore entalpico (***) e di più costosa realizzazione costruttiva.

Condizionale remoto

Costi primi permettendo sarebbe interessante ritornare a grandi assorbitori ad ammoniaca, visto che questo fluido (discusso per la tossicità sull'uomo ma non sull'ambiente) riprende popolarità nella compressione frigorifera, specialmente in Nord Europa. E comunque deve aumentare la competizione tra le varie tecnologie con sistemi ad energia totale, ad alto rendimento energetico (****) anche di taglia minore; cioè elettrogeni e frigoassorbitori a prezzo "più commerciale che industriale" . Ultimo auspicio, nostalgico perchè collegabile alla mia iniziale professione negli anni '50: se i progettisti riuscissero ad evitare lo stramazzo dei liquidi procurato dal rollio e dal beccheggio alle vasche interne, i gruppi ad assorbimento sarebbero l'ideale a bordo delle navi, ove gli esuberi di calore si perdono in ciminiera e il condizionamento richiede potenza ed energia elettrica notevoli per i compressori.

Congiuntivo iterattivo

L'idea di questo articolo, intenzionalmente discorsivo, cade nel 50 anniversario della rivista nata come Notiziario dell'Associazione Frigorifera Italiana.

Nel 1947 il freddo era prevalentemente realizzato con compressori ad ammoniaca, condensatori ad acqua di pozzo, evaporatori con acqua e cloruro di calcio o aerorefrigeranti a scambio diretto: comunque per celle viveri e soprattutto sotto zero gradi Celsius. E dopo gli alternativi a puleggia e poi con giunto vennero i compressori a vite, mentre i centrifughi operavano essenzialmente sopra 0 C salvo alcuni casi a due o più stadi per le industrie con forte rapporto di compressione. Infine il tramonto dei grandi assorbitori a NH3 (ammoniaca) coincise con l'avvento di quelli a BrLi (Bromuro di Litio), anche piccoli, ed ecco così completata la congiunzione in essere. L'iterazione, più in generale è partire dall'impegno “prometeico” della scoperta per giungere all’impegno “lapalissiano” della gestione, attraverso le fasi non meno delicate della costruzione e dell'impiantistica.

Imperativo esplicativo

Occorre chiarire qualche termine, essenziale del professionista ma avvicinabile a tutti: qui l'ambiente non è la natura ma l'ambito culturale, in senso lato, e l'opinione non è dissertare tra specialisti bensì spiegare, almeno tentare nei propri limiti e nei confini editoriali.

(*) Infatti la rivista CDA 8/97 - essendo il mensile dell'Associazione Italiana Condizionamento Aria Riscaldamento e Refrigerazione - ha pubblicato con lo stesso titolo un mio articolo termodinamicamente e merceologicamente circostanziato.

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(**) Anzitutto il COP, sigla statunitense, significa Coefficiente Prestazionale, cioè rendimento frigorifero essendo il rapporto tra la potenza (o l'energia) resa utile e quella consumata, elettrica o termica, nello stesso periodo. Questo parametro varia da circa 0,6 ~ 0,7 per gli assorbitori monostadio a 1 ~ 1,2 per quelli a due stadi di alimentazione, mentre i gruppi a compressione passano da 3 delle piccole potenze (condensate ad aria) a 6 di quelle grandi (condensate ad acqua); ricordiamo però che produrre elettricità costa ben più del calore: l mc gas = 9,6 kWh termici = 2,5 ~ 5 kWh elettrici.

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(***) L'entalpia è il contenuto termico della materia, qualunque essa sia, e dividendo il suo valore per la sua temperatura assoluta otteniamo l'entropia (chilocalorie per chilo e per grado Kelvin) vocabolo non più misterioso da quando è citata, da fisici e filosofi, nell'ipotesi evoluzionistica del nostro pianeta. E' l'entalpia un'entità basilare per qualsiasi situazione in natura ed operazione dell'uomo: ad esempio l'aria che respiriamo varia dallo zero (convenzionale) d'inverno a circa 20 kcal/kg d'estate, combinando temperatura a bulbo secco ed umidità relativa nel diagramma psicrometrico, strumento indispensabile nei calcoli di climatizzazione.

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(****) Il rendimento delle energie premia i sistemi più evoluti, prevalentemente grandi e quindi industriali, con alta efficienza iniziale (potenza) prolungata nel tempo, essendo l'ammortamento rapido dell'innovazione la giustificazione del maggior costo realizzativo. Attualmente l'indice energetico più elevato, circa 0,7 (per ospedali, centri commerciali, industrie, etc.), è ottenibile con l'assieme di motori elettrogeni cogeneranti acqua calda per riscaldamento ambiente/servizi sanitari e - per l'appunto con frigoriferi ad assorbimento - il condizionamento estivo.

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E se i "verbi (temporali) volano" qui gli "scritti restano" ...

Figura 1 Diagramma psicrometrico dell'aria

Nell'ambiente in cui viviamo le condizioni ottimali di benessere fisiologico variano da 20 a 25 C circa, inverno- estate, con umidità relativa attorno al 50% . Il comfort termoigrometrico si amplia in parziale parallelo dell'escursione esterna, al fine di non affrontare eccessivi differenziali.

Figura 2 Diagramma e ciclo frigorifero a compressione

Il quadrilatero della refrigerazione è "condizionato" da tre elementi principali: compressore, evaporatore, condensatore con ruolo rispettivo di Azionamento meccanico, Beneficiario del freddo, Clima dissipatore del caldo. Chiude il ciclo la valvola termostatica di regolazione D.

Figura 3 Schema del ciclo frigorifero ad assorbimento

L'effetto frigorigeno della soluzione acqua/bromuro di litio è basato sugli elementi precedenti, ma la fase "aspirante" e la fase "premente" sono distinte nell'assorbitore A' e nel generatore A". Chiude il ciclo lo scambiatore di calore D.

[Bacigalupo: 3 marzo 1998]