a cura di ANDRE’ GAC

Quando l’evaporatore di una cella frigorifera funziona a una temperatura inferiore a 0 C, esso si copre progressivamente di brina. piu' spesso e' lo strato di brina, minore e' il coefficiente di trasferimento di calore dell’evaporatore, quindi, l’evaporatore deve essere sbrinato periodicamente. Lo sbrinamento consiste nel riscaldare l’evaporatore con capacita' termica sufficiente a sciogliere completamente la brina in un periodo di tempo relativamente breve (meno di 2 o 3 ore). Ci richiede una quantita' di calore Qo proporzionale alla massa della brina.

Ma ad ogni sbrinamento, l’evaporatore, il fluido che contiene e il ghiaccio sono a 0 C, il che necessita di un’immissione di calore Q1. L’evaporatore e il fluido sono surriscaldati ad una temperatura che varia dai 7 ai 10 C per essere sicuri che il ghiaccio si sia sciolto completamente. Il surriscaldamento necessita di una quantita' di calore Q2.

Durante il periodo complessivo di sbrinamento si verificano delle perdite per scambio di calore con l’ambiente, cioe' la quantita' Q3. Infine, quando la macchina e' nuovamente messa in funzione e' necessario immettere la quantita' Q4 di freddo per eliminare il calore precedente.

Ovviamente le quantita' Q1, Q2, Q3, Q4 sono necessarie ma non sciolgono il ghiaccio. Se lo sbrinamento e' troppo frequente, aumenta il consumo di energia, soprattutto nelle celle refrigeranti.

E’ la ragione per cui si dovrebbe sbrinare solo quando il funzionamento dell’evaporatore viene influenzato dalla presenza di ghiaccio. Lo sbrinamento automatico per mezzo di un semplice dispositivo cronometrico (per esempio un timer che regola lo sbrinamento a intervalli prefissati e per un periodo predeterminato) non e' soddisfacente.

METODI DI RISCALDAMENTO

E’ possibile usare diversi processi di riscaldamento singolarmente e simultaneamente; i processi principali sono:

- scaldare la parte interna dei tubi: 1) gas caldi, 2) salamoia calda;

- scaldare la parte esterna dei tubi: 1) aria, 2) acqua, 3) riscaldamento elettrico, 4) soluzione non congelabile.

Nel sistema a gas caldi, vi e' un’inversione del senso di circolazione del fluido frigorigeno nell’evaporatore.

L’apporto di calore e' fornito dalla condensazione del fluido frigorigeno gassoso scaricato dal compressore.

Il sistema frigorifero comprende, oltre alle solite parti, un tubo che unisce lo scarico del compressore all’uscita dell’evaporatore, un dispositivo di rievaporazione, alcune valvole automatiche e 2 interruttori di cielo (fig. 1).

Un invertitore di ciclo comprende un pistone libero il cui movimento e' dato dal refrigerante in funzione della posizione di una valvola solenoide a tre vie. Il principio dello sbrinamento e' presentato nella figura 2.

Durante il periodo di produzione di freddo le valvole (8) sono aperte e le valvole (9) sono chiuse; durante il periodo di sbrinamento la posizione di queste valvole e' invertita. Il dispositivo di rievaporazione puo' essere usato per applicare diverse tecniche di riscaldamento (per resistenza elettrica, accumulatore di calore ecc..).

Il fluido frigorigeno liquefatto nell’evaporatore in fase di sbrinamento puo' essere reintrodotto nel circuito frigorigeno con un sistema di travaso, spesso a comando automatico; questo procedimento e' particolarmente valido dal punto di vista dell’efficacia energetica.

RIEVAPORAZIONE CON UN ACCUMULATORE DI CALORE

Durante il periodo di produzione del freddo, un contenitore riempito di liquido non congelabile, quale salamoia, viene riscaldato con una serpentina in cui circolano i vapori scaricati dal compressore. Questo recipiente viene messo davanti al condensatore. Al momento dello sbrinamento, il fluido condensato, proveniente dall’evaporatore viene evaporato per scambio con il liquido non congelabile che si raffredda progressivamente. Per evitare perdite di calore dall’evaporatore, quest’ultimo viene isolato termicamente. Lo schema di questo dispositivo e' presentato nella figura 3. Il sistema di evaporazione con un accumulatore di calore e' semplice. In pratica e' riservato agli impianti frigoriferi alogenati a potenza ridotta. E’ sconsigliabile per quelli ad ammoniaca, a causa del surriscaldamento dei vapori aspirati.

RIEVAPORAZIONE PER RESISTENZA

L’acqua dell’accumulatore puo' essere riscaldata da una resistenza elettrica immersa in una vasca di acqua calda. Il dispositivo di rievaporazione ha il ruolo di una trappola a liquido durante il periodo di produzione del freddo; se del liquido viene immesso accidentalmente, esso viene reintrodotto nel circuito dopo l’evaporazione; l’olio accumulato viene portato via da un tubo che collega il fondo della trappola alla cappa del compressore.

Durante il periodo di sbrinamento, la trappola, riscaldata dall’acqua della vasca, mantenuta da un termostato a una temperatura di circa 30 C, assicura la rievaporazione del liquido condensato nell’evaporatore.

Anche in questo caso l’accumulatore e' isolato termicamente. In questo procedimento, i vapori sono surriscaldati permanentemente all’aspirazione.

Questo metodo di sbrinamento e' dunque valido per le piccole macchine ad alogenati.

RIEVAPORAZIONE CON UN SISTEMA A DUE CONDENSATORI

Una variante del procedimento precedente e' il sistema a due condensatori in parallelo, uno per scaldare l’acqua nell’accumulatore e l’altro da utilizzare quando si e' ricostituita l’accumulazione di calore.

L’inversione dei due condensatori e' ottenuta con una valvola a tre vie a comando termostatico (Fig. 4). Durante lo sbrinamento, il fluido liquefatto nell’evaporatore si espande grazie ad una valvola di espansione automatica al fine di evitare di sovraccaricare il motore, prima di essere portato nella serpentina di rievaporazione posta nel l’accumulatore.

L’acqua dell’accumulatore si raffredda progressivamente e gela in parte sulla serpentina di rievaporazione, permettendo un certo recupero del freddo.

RIEVAPORAZIONE CON IL CONDENSATORE

In questo sistema, il cui schema e' presentato nella figura 5, il fluido condensato nell’evaporatore durante lo sbrinamento, viene rievaporato nel condensatore che, in questo caso, deve essere sempre attraversato da un fluido (acqua o aria) sufficientemente caldo. In particolare, i condensatori ad acqua devono essere muniti di una protezione per evitare che l’acqua geli e i tubi scoppino; la circolazione e' controllata da un rubinetto ad acqua pressostatico (17); quando la pressione nel condensatore si abbassa, questo rubinetto si chiude ma una certa circolazione d’acqua viene mantenuta dal rubinetto (16) che resta aperto durante il periodo di sbrinamento. Il fluido frigorigeno, che e' condensato nell’evaporatore, viene nuovamente iniettato nel condensatore da una valvola di espansione termostatica (7). I circuiti di fluido frigorigeno e d’acqua sono regolati da valvole automatiche.

Questo procedimento e' piuttosto complesso e costoso, se si considerano i dispositivi di controllo e di sicurezza e' dunque valido per impianti di tipo commerciale o industriale.

RIEVAPORAZIONE CON ALTRI EVAPORATORI

Quando l’impianto frigorifero comporta piu' evaporatori alimentati parallelamente, e' possibile trasferire il fluido frigorigeno condensato nell’evaporatore da sbrinare in un altro evaporatore in servizio normale; questo procedimento e' interessante perche' molto semplice.

- Sbrinamento a salamoia calda

Nel caso degli scambiatori raffreddati con acqua salata (o un agente liquido a bassa temperatura), lo sbrinamento e' ottenuto per mezzo di circolazione di acqua salata riscaldata in un recipiente separato; il suo riscaldamento puo' essere assicurato, per esempio, per mezzo di una derivazione del circuito di condensazione del fluido frigorigeno.

- Sbrinamento ad aria

Questo sistema di sbrinamento e' applicabile solo alle celle frigorifere a temperature superiori a 0 C. Dopo ogni periodo di produzione del freddo, l’evaporatore si riscalda fino a raggiungere la temperatura del locale. Il ghiaccio che si e' formato fonde, ma lentamente. Per accelerare gli scambi, la ventilazione viene mantenuta fino a quando la temperatura della batteria supera gli 0 C.

L’arresto della ventilazione puo' essere comandato da un termostato di superficie o da un interruttore a bassa pressione, a contatti invertiti si apre con l’aumento della pressione.

Il procedimento di sbrinamento ad aria e' semplice ed interessante, ma ha i seguenti inconvenienti:

- i prodotti posti in prossimita' dello scarico della cella sono alternativamente sottoposti ad un flusso di aria fredda e secca, poi ad un flusso di aria umida, formando delle piccole gocce d’acqua. Ad ogni ciclo, l’apparire di condensazioni sui prodotti favorisce lo sviluppo di muffe e di germi aerobici;

- Il periodo di ventilazione puo' essere piu' lungo di quello del funzionamento della macchina frigorifera, ci tende ad aumentare le perdite globali di massa del prodotto immagazzinato, anche se l’aria e' piu' umida durante il periodo di sbrinamento;

- Infine, l’efficacia dello sbrinamento e' ridotta perche' e' l’apporto di calore per chilogrammo d’aria che passa sulla batteria e' debole.

Sbrinamento ad acqua

L’evaporatore e' sbrinato per mezzo di aspirazione di acqua da rampe disposte al di sopra della batteria; il ghiaccio si fonde in parte e in parte si stacca sotto forma di scaglie che si accumulano nel recipiente della cella. Per evitare gli inconvenienti dovuti all’acqua che gela nelle condutture e nelle rampe, e' necessario dare a queste un’inclinazione, evitare i punti bassi che formano le trappole, e mettere all’esterno delle celle le valvole di alimentazione; il tubo dell’acqua e la rampa non devono essere in contatto diretto con l’evaporatore.

Questo dispositivo, particolarmente semplice, presenta anche degli inconvenienti:

- piu' fredda e' l’acqua, maggiore e' la quantita' d’acqua da aspergere. cosi' viene utilizzata dell’acqua leggermente riscaldata, quale quella che esce dal condensatore.

La quantita' di acqua da fornire rimane comunque elevata, da 8 a 10 litri per chilogrammo di ghiaccio;

- Le scaglie di ghiaccio possono, almeno in parte, ostruire il condotto di scarico della vaschetta del frigorifero; puo' succedere che l’acqua trabocchi nella cella; e' necessario, soprattutto per i locali a bassa temperatura, accertarsi di togliere l’acqua correttamente; proprio per questo spesso non si puo' usare un comando automatico del sistema; inoltre il recipiente deve essere dotato di un dispositivo di riscaldamento efficace affinche' la fusione delle scaglie sia completa.

- L’acqua spruzzata gela sulla batteria fino a quando quest’ultima non viene riscaldata a 0 C; la massa di ghiaccio puo' essere considerevole nelle celle a bassa temperatura, soprattutto se non viene tolto il fluido frigorigeno dall’evaporatore prima dello sbrinamento.

- Contrariamente ad alcuni dispositivi di sbrinamento il calore utilizzato durante lo sbrinamento va perso per il bilancio frigorifero totale.

In pratica, lo sbrinamento ad acqua e' valido solo per celle frigorifere industriali e commerciali.

SBRINAMENTO CON RISCALDAMENTO ELETTRICO

La fusione del ghiaccio e' assicurata dalle resistenze elettriche opportunamente disposte. Sono stati utilizzati molti procedimenti ma quello piu' efficace consiste nell’inserire delle resistenze tra i tubi ad alette di un evaporatore. Le resistenze, in contatto con le alette, assicurano lo sbrinamento per conduzione nel metallo e per convezione con l’aria interna del frigorifero. Se non vi e' brasatura meccanica l’aria calda tende ad accumularsi nella parte superiore.

I tubi in alto che hanno meno brina di quelli in basso vengono sbrinati piu' rapidamente. Per risolvere questa difficolta', si aumenta la densita' delle resistenze nella parte inferiore della batteria.

Un altro procedimento particolarmente semplice consiste nel porre una batteria di resistenze elettriche di fianco ai tubi da sbrinare. Essendo il corpo del frigorifero chiuso durante lo sbrinamento, il trasferimento di calore e' assicurato in modo relativamente omogeneo per convezione forzata (funzionamento del o dei ventilatori).

Questo procedimento puo' essere efficace soprattutto per i locali a bassa temperatura. I principali inconvenienti di qualsiasi sistema di sbrinamento elettrico sono i seguenti:

- non vi e' recupero di energia per il bilancio frigorifero globale;

- quando si installa un dispositivo elettrico, il recipiente di raccolta delle acque di fusione deve essere munito degli accessori di riscaldamento elettrico;

- la quantita' dell’isolamento delle parti elettriche e le condizioni pratiche di messa in opera devono essere controllate con molta attenzione per ragioni di sicurezza.

Lo sbrinamento consiste nel bagnare continuamente l’evaporatore con una soluzione non congelabile (soluzione acquosa di etilene o propilene - glicole di concentrazione tale che l’acqua non geli).

Una pompa assicura la circolazione del liquido incongelabile quando la macchina frigorifera funziona.

L’umidita' dell’aria si fissa nel liquido la cui concentrazione diminuirebbe progressivamente se l’eccesso d’acqua non fosse rievaporato per mezzo di un dispositivo di riscaldamento quale quello rappresentato nella figura 6.

Il sistema no-frost ha il vantaggio di mantenere costante il coefficiente di trasferimento di calore.

E’ per necessario prendere delle precauzioni affinche' si eviti la presenza di liquido sui prodotti. Il riscaldamento del liquido ad una temperatura sufficiente ad assicurarne la concentrazione permanente, comporta un accrescimento del bilancio termico del sistema. Infine, la soluzione si inquina progressivamente e deve essere disinfettata e filtrata regolarmente o rinnovata.

Il sistema no-frost non viene utilizzato a meno che la superficie di un evaporatore a bassa temperatura non debba essere sempre mantenuta senza ghiaccioè (per esempio nel caso di un congelatore che funziona continuamente).

I frigoriferi dei locali a bassa temperatura devono essere concepiti in modo da limitare gli scambi di calore durante lo sbrinamento. Inoltre, dato che l’aria calda tende ad accumularsi nella parte superiore del frigorifero, e' necessario che l’aria del frigorifero sia agitata, altrimenti la parte inferiore della batteria si sbrina lentamente e dunque in modo incompleto.

La Figura 7 illustra in modo schematico un frigorifero che puo' essere sbrinato nelle giuste condizioni:

- il corpo e' isolato termicamente;

- il frigorifero puo' essere chiuso per mezzo di un sistema a martinetti idraulici o a motore elettrico; la tenuta stagna viene assicurata da giunti posti su di un cordone riscaldante (termico);

- il recipiente di raccolta delle acque di fusione e' riscaldato affinche' i fiocchi di ghiaccio si fondano completamente;

- il o i ventilatori funzionano durante tutto il periodo di sbrinamento.

In pratica, e' importante che il frigorifero sia il piu' compatto possibile e che sia installato il piu' vicino possibile al soffitto.

Se un frigorifero a muro e' appoggiato per terra e se il locale e' molto alto, per esempio da 8 a 10 m., questo frigorifero comporta necessariamente un camino per espellere l’aria raffreddata sotto il soffitto.

Durante lo sbrinamento, la circolazione dell’aria in questo camino in convezione naturale e' intensa, anche se gli orifizi di aspirazione e di scarico sono stati chiusi con cura, invece, in un frigorifero compatto privo di camino e i cui orifizi di aspirazione e di scarico sono chiusi, anche non a tenuta stagna, i movimenti d’aria sono limitati e le perdite per convezione dell’aria con la cella sono molto limitate.

Il controllo automatico delle operazioni di sbrinamento di un evaporatore include due dispositivi, il primo segnala l’entita' dello strato di ghiaccio e provoca lo sbrinamento; il secondo determina la sequenza delle operazioni dello sbrinamento

I dispositivi che segnalano il ghiaccio in eccesso sono:

- un pressostato a bassa pressione e un termostato di superficie, fissato sull’evaporatore, che d il via allo sbrinamento quando viene raggiunto il valore minimo fissato precedentemente (di pressione o di temperatura);

- un termostato differenziale, che d il via allo sbrinamento quando la variazione (scarto) di temperatura tra la cella e la superficie dell’evaporatore raggiunge il limite massimo fissato precedentemente;

- un pressostato differenziale sulla circolazione dell’aria che segnala la perdita di pressione del circuito dell’aria. Questo dispositivo, che e' molto sensibile, puo' reagire a delle variazioni accidentali del flusso o a vibrazioni. Inoltre, e' necessario regolarlo con attenzione altrimenti lo sbrinamento puo' essere troppo frequente;

- un conta-tempo che misura la durata quotidiana di funzionamento della macchina.

Se le condizioni sono stabili, la durata di servizio aumenta con lo spessore del ghiaccio. In generale, un aumento del 30% circa segnala che e' ora di sbrinare. In questo caso l’addetto alla sorveglianza dell’impianto procede allo sbrinamento:

- una sonda che segnala direttamente lo spessore del ghiaccio. Per, una sonda puo' essere bloccata dal ghiaccio o favorire localmente gli scambi termici in modo che lo spessore reale possa essere maggiore di quello misurato dalla sonda.

Il comando dello sbrinamento per mezzo di una sonda potrebbe non essere del tutto affidabile.

- Prima fase: si toglie il fluido frigorigeno dall’evaporatore, soprattutto per ridurne la capacita' calorifica; la valvola solenoide di entrata del liquido viene chiusa, il compressore e' tenuto in funzione o il fluido viene travasato nel circuito ad alta pressione.

- Seconda fase: chiusura degli orifizi di aspirazione e di scarico dell’aria del frigorifero, i ventilatori sono mantenuti in funzione, il dispositivo di riscaldamento della batteria e' acceso e il recipiente di raccolta delle acque scaldato, infine, qualora risultasse necessario, si arresta il compressore.

- Terza fase: quando lo sbrinamento e' finito, i ventilatori sono arrestati; la batteria viene raffreddata cosi' che le gocce d’acqua gelino e non tocchino la merce. Infine, si aprono gli orifizi di aspirazione e di scarico del frigorifero e l’impianto torna a funzionare regolarmente.

- un termostato di superficie che regola la temperatura della batteria da 5 a 10 sopra lo 0 C;

- un pressostato bassa pressione che scatta quando la pressione del vapore diventa sufficientemente elevata;

- un timer: in questo caso, la durata del periodo di sbrinamento viene determinata in precedenza; e' un dispositivo usato con frequenza poiche' e' molto semplice da usare, ha per l’inconveniente di non essere del tutto affidabile; se la durata e' eccessiva, il consumo di energia aumenta considerevolmente; se e' troppo breve, l’evaporatore, sbrinato male, tende ad intasarsi progressivamente; l’aria circola con sempre maggiore difficolta' e gli scambi termici peggiorano.

Infine, e' necessario, qualunque sia il sistema adottato, controllare con attenzione e regolarit le condizioni pratiche in cui viene svolto lo sbrinamento degli evaporatori.

 Figura 1.

Schizzo schematico di un invertitore di ciclo.

Figura 2.

Schizzo schematico di un sistema di sbrinamento a gas caldi.

Figura 3.

Sbrinamento a gas caldi con accumulatore di calore.

Figura 4.

Sbrinamento a gas caldi con un accumulatore scaldato da un elemento del condensatore.

Figura 5.

Sbrinamento a gas caldi e rievaporazione con il condensatore.

Figura 6.

Sistema no-frost.

Figura 7.

Schema di un frigorifero per locali a bassa temperatura.