Come funziona il Chiller - Fluido Refrigerante e Ciclo Frigorifero

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Un refrigeratore, gruppo frigorifero, detto anche chiller, è una macchina termica che sfruttando la compressione e l'espansione di un fluido aeriforme refrigerante consente di sottrarre calore a un fluido termovettore, spesso acqua o aria.

Un chiller è un macchinario di grandi dimensioni dove al suo interno è composto da più macchine termiche una di seguito all’altra, impiegate per creare (con il fluido refrigerante) un ciclo chiamato “ciclo frigorifero”: il Compressore, il Condensatore, la valvola di espansione, e l’Evaporatore.
Questo fluido refrigerante è a sua volta utilizzato per raffreddare il fluido termovettore, (solitamente acqua) che viene impiegata in applicazioni industriali per raggiungere e mantenere temperature basse in determinati processi; o anche per regolare la temperatura interna di grandi edifici.

Vediamo passo a passo il suo funzionamento in questo esempio di impianto di climatizzazione di un edificio.
All’interno del chiller, il fluido refrigerante (che può essere composto da ammoniaca o freon, e altri alogenuri alchilici chiamati anche clorofluorocarburi), è provvisto di determinate caratteristiche fisiche che gli consentono di compiere il ciclo frigorifero.

Il compressore, comprime appunto il fluido refrigerante allo stato gassoso che aumenta la sua pressione ma anche la sua temperatura, per questo passa ora attraverso il condensatore, una serpentina che consente al refrigerante di condensare allo stato liquido e abbassare la sua temperatura.

Il condensatore per dissipare il calore del fluido refrigerante ha bisogno di aria od acqua, solitamente i condensatori raffreddati ad aria sono provvisti di alette di raffreddamento sulla serpentina, e ventole che forzano il passaggio dell’aria (che fanno tutto parte del chiller), per questo il chiller intero dev’essere installato all’esterno per espellere il calore nell'atmosfera.
I condensatori con raffreddamento a liquido invece sono sostanzialmente uno scambiatore di calore che utilizza un circuito d’acqua per sottrarre calore al fluido refrigerante; quest’acqua poi per raffreddarsi a sua vota ha bisogno di una componente remota che solitamente è una torre di raffreddamento a circolazione forzata con ventilatori che aspirano l'aria.

Il fluido refrigerante allo stato liquido ora prosegue per la valvola di espansione, che ne diminuisce la pressione.
Questo semplice passaggio causa dei grandi cambiamenti nel refrigerante. Diminuendo la pressione infatti, la temperatura del refrigerante diminuisce, abbassando di conseguenza anche la sua TEMPERATURA DI EBOLLIZIONE. Ora infatti il refrigerante può evaporare ad una temperatura inferiore.
Questo succede per L’EFFETTO JOULE-THOMSON, un fenomeno della termodinamica.
Con queste nuove caratteristiche, il refrigerante viene fatto passare dentro l’evaporatore

L’evaporatore è anch’esso uno scambiatore a di calore che utilizza il fluido refrigerante per abbassare la temperatura di un circuito d’acqua chiamato fluido termovettore.
Assorbendo calore, il fluido refrigerante evapora, trasformandosi in vapore, senza però aumentare la sua temperatura, e torna poi al compressore per chiudere il ciclo frigorifero e ripeterlo ininterrottamente.

Il circuito del fluido termovettore ora utilizza una pompa idraulica per pompare l’acqua fresca all’interno dell’edificio verso le unità interne.
Nelle unità interne, l'acqua circola attraverso una serie di serpentine, dove l'aria calda dell’edificio che passa attraverso di esse, si abbassa di temperatura e viene reimmessa nel locale. Il fluido termovettore invece torna nuovamente al chiller che ne dissipa il calore accumulato.

Se è necessario riscaldare un edificio alcuni chiller possono funzionare in modalità di riscaldamento, questa viene chiamata tecnologia della pompa di calore.

Per quanto riguarda i processi industriali, il fluido termovettore in questo caso viene usato per raffreddare prodotti o macchinari per mezzo di uno scambiatore di calore remoto.
Il fluido termovettore quindi non viene mai in contatto con il prodotto o il fluido di raffreddamento del macchinario, ma come si può vedere, i due rimangono sempre separati grazie allo scambiatore di calore evitando così qualsiasi contaminazione.