Cos'è l'evaporatore nel sistema di refrigerazione

L'evaporatore è il componente di un sistema di refrigerazione in cui avviene il processo cruciale di assorbimento del calore. Posizionato strategicamente nel lato di bassa pressione, funge da ponte tra il dispositivo di espansione e il compressore. Il suo ruolo è quello di facilitare la trasformazione del refrigerante dallo stato liquido a quello gassoso assorbendo calore dall'ambiente destinato ad essere raffreddato.

La funzione principale di un evaporatore

Al centro del funzionamento dell’evaporatore c’è il trasferimento di calore dallo spazio o dal prodotto da raffreddare al refrigerante. Quando il refrigerante liquido esce dalla valvola di espansione, entra nell'evaporatore e inizia a "evaporare", un termine che descrive l'evaporazione del refrigerante. Questo cambiamento di fase, provocato dall'ambiente a bassa pressione dell'evaporatore, consente al refrigerante di assorbire il calore in modo efficiente, facendolo evaporare a una temperatura inferiore a quella dello spazio di raffreddamento.

Il processo evaporativo non solo assorbe calore latente dal refrigerante, ma ne abbassa anche significativamente la temperatura. Ciò si traduce in una serpentina dell'evaporatore refrigerata, che funge quindi da interfaccia di raffreddamento per il sistema di refrigerazione. L'efficacia di questo processo è fondamentale per mantenere la temperatura desiderata nello spazio refrigerato e garantire che il sistema funzioni entro i parametri progettati.

Tipi di evaporatori

In base ai tipi di evaporatori e alla modalità di trasferimento del calore elencati, è evidente che la progettazione e il funzionamento di un evaporatore vengono scelti per soddisfare al meglio i requisiti specifici dell'applicazione. Ecco una breve panoramica delle tipologie citate:

Secondo il tipo di costruzione

Evaporatore a serpentina a tubo nudo: Semplici nel design, vengono utilizzati in applicazioni in cui il rischio di incrostazioni è basso. Sono costituiti da serpentine realizzate con tubi nudi e sono generalmente meno efficienti nel trasferimento di calore rispetto ad altri tipi.

Evaporatore a piastre: È costituito da una serie di piastre metalliche tra le quali scorre il refrigerante. Questo tipo è noto per la sua elevata efficienza di trasferimento del calore ed è comunemente utilizzato nei sistemi compatti.

Evaporatore a guscio e serpentina: È costituito da un grande involucro con all'interno un tubo a spirale, attraverso il quale scorre il refrigerante. Il fluido secondario circonda la bobina all'interno del guscio.

Evaporatore a tubi alettati: Presenta tubi dotati di alette attaccate alle superfici esterne per aumentare la superficie di contatto con l'aria, migliorando l'efficienza del trasferimento di calore. Questi si trovano comunemente nei sistemi di condizionamento dell'aria.

Evaporatore a fascio tubiero: Il tipo più utilizzato, in particolare nelle applicazioni industriali, è costituito da un guscio contenente più tubi attraverso i quali scorre il refrigerante, come discusso in precedenza.

Evaporatore tubo-in-tubo: È costituito da un tubo dentro l'altro con il refrigerante che scorre nel tubo interno e il fluido secondario nello spazio tra il tubo interno ed esterno.

Secondo la modalità di trasferimento del calore

Convezione naturale: Si basa sulla circolazione naturale del refrigerante a causa delle differenze di densità derivanti dalle variazioni di temperatura. Questa modalità non richiede pompe o ventilatori esterni per spostare il refrigerante.

Convezione forzata: Utilizza mezzi esterni come pompe o ventilatori per far circolare il refrigerante e aumentare la velocità di trasferimento del calore. Questo metodo è più efficiente e viene generalmente utilizzato quando sono richieste velocità di scambio termico più elevate.

Ottimizzazione delle prestazioni dell'evaporatore nella refrigerazione

Affinché un evaporatore funzioni al massimo delle prestazioni all'interno di un sistema di refrigerazione, devono essere soddisfatte alcune condizioni ideali:

1. Area superficiale massimizzata: L'evaporatore deve possedere la maggiore superficie possibile che possa essere costantemente raffreddata. Questa massimizzazione garantisce che vi sia ampio spazio per l’assorbimento del calore, migliorando così l’efficienza della transizione di fase del refrigerante da liquido a vapore.
2. Circolazione dell'aria (liquida) migliorata: È essenziale una circolazione dell'aria (liquido) efficace e rapida attorno all'evaporatore. Mantenere le superfici dell’evaporatore pulite e prive di brina garantisce che l’unità possa scambiare calore senza barriere isolanti che potrebbero ostacolarne le prestazioni.
3. Differenziale di temperatura ottimale: Il mantenimento di una differenza di temperatura compresa tra 8°C e 10°C tra il refrigerante e l'aria attorno all'evaporatore facilita un efficiente trasferimento di calore senza sovraccaricare il sistema.
4. Pressione di aspirazione elevata: Una maggiore pressione di aspirazione all'interno dell'evaporatore è correlata a una maggiore capacità e a una maggiore efficienza dell'unità di condensazione, consentendo al sistema di funzionare in modo ottimale.
5. Gestione controllata dell'umidità: L'evaporatore deve essere progettato per ridurre al minimo l'estrazione del vapore acqueo. In questo modo, il sistema mantiene un livello di umidità più elevato, fondamentale per preservare l'aspetto, il contenuto di umidità e il peso delle merci deperibili, come gli alimenti.

Evaporatore nel sistema di refrigerazione

I sistemi di refrigerazione, parte integrante di varie applicazioni industriali e commerciali, fanno molto affidamento sull'efficienza degli evaporatori. Tra i tipi prevalenti, due tipi principali sono l'evaporatore a fascio tubiero e l'evaporatore a fascio tubiero, quest'ultimo spesso impiegato in alcuni refrigeratori raffreddati ad aria.

Evaporatori a fascio tubiero

Vantaggi:

• Presentano notevoli capacità di trasferimento del calore, grazie all'ampia superficie fornita dai tubi.
• La robustezza è una caratteristica fondamentale, poiché consente loro di gestire notevoli differenziali di pressione e condizioni operative difficili.
• La manutenzione, compresa la pulizia e l'ispezione, è facilitata dal design, spesso caratterizzato da fasci tubieri rimovibili.

Svantaggi:

• Questi evaporatori possono essere ingombranti e richiedere più spazio, il che potrebbe non essere l'ideale per configurazioni compatte.
• L'investimento iniziale può essere più elevato, riflettendo la complessità e i costi dei materiali del progetto.
• Esiste una predisposizione alle incrostazioni e alle incrostazioni, che richiedono una manutenzione ordinaria per garantire un funzionamento ottimale.

Evaporatori a fascio tubiero e a serpentina

Vantaggi:

• Il design compatto li rende ideali per i refrigeratori raffreddati ad aria dove lo spazio è limitato.
• Spesso più economici in termini di costi iniziali rispetto ai modelli a fascio tubiero.
• Può essere efficace nelle applicazioni in cui è auspicabile una carica di refrigerante inferiore.

Svantaggi:

• Efficienza di trasferimento del calore tipicamente inferiore rispetto ai modelli a fascio tubiero.
• Potrebbe non essere facile da pulire e mantenere a causa del design a spirale.
• Può essere meno durevole, soprattutto se le bobine non sono adeguatamente protette o realizzate con materiali resilienti.

Tipi di refrigeratori adatti

• Per evaporatori a mantello e a serpentina: Il loro design compatto e la minore carica di refrigerante li rendono adatti a refrigeratori di piccole dimensioni. I refrigeratori raffreddati ad aria spesso utilizzano questi evaporatori, beneficiando delle loro caratteristiche di risparmio di spazio e di efficienza in termini di costi.

• Per evaporatori a fascio tubiero: Data la loro efficienza e durata, questi evaporatori sono particolarmente adatti per applicazioni su scala medio-ampia, rendendoli la scelta ideale per i refrigeratori raffreddati ad acqua che richiedono un raffreddamento stabile e ad alta capacità.

Conclusione

Nel ciclo frigorifero la scelta dell’evaporatore è fondamentale. Gli evaporatori a fascio tubiero sono la spina dorsale dei refrigeratori raffreddati ad acqua in applicazioni più grandi, offrendo elevato trasferimento di calore e robustezza. Gli evaporatori a mantello e a serpentina, invece, sono realizzati su misura per i requisiti compatti dei refrigeratori più piccoli raffreddati ad aria. La scelta tra questi dipende dalla scala del sistema, dalle esigenze di efficienza e dai vincoli di spazio, sottolineando il ruolo fondamentale dell’evaporatore nelle prestazioni dei sistemi di refrigerazione.