Nome commerciale di freon si indica una famiglia di composti chimici derivanti dal metano e dall’etano, nei quali gli atomi di idrogeno vengono sostituiti da quelli di cloro, fluoro, o bromo.
I freon sono fluidi refrigeranti, hanno cioè il compito di trasferire il calore da una sorgente calda ad una fredda, mediante evaporazione e condensazione oppure mediante riscaldamento o raffreddamento.
Generalmente un refrigerante si caratterizza per elevata densità, elevata capacità termica, ed elevata stabilità, e può essere di tipo naturale o artificiale (entrambi impiegabili in refrigeratori a compressione di vapore, mentre per quelli ad assorbimento si utilizza preferibilmente l’ammoniaca).
Il circuito frigorifero
Il circuito frigorifero usato in refrigerazione è un circuito chiuso detto a “compressione di vapore”, che sfrutta l’evaporazione di un fluido refrigerante all’interno del circuito, in particolare in uno scambiatore di calore detto appunto evaporatore.
Una volta evaporato il refrigerante non è più in grado di assorbire energia in maniera significativa, pertanto risulta necessario riportarlo allo stato di liquido attraverso al condensazione: a tal fine viene utilizzato un compressore per portare il refrigerante ad una pressione più elevata rispetto all’evaporatore in modo che il processo di condensazione possa avvenire a temperature compatibili con un sorgente “fredda” facilmente disponibile, tipicamente l’aria esterna dell’edificio.
Qui la condensazione avverrà a temperature elevate (solitamente 35-55°C) all’interno di uno scambiatore di calore che mette in contatto l’aria esterna con il refrigerante. Quest’ultimo condenserà tornando allo stato liquido mentre l’aria esterna subirà un aumento di temperatura.
Il refrigerante liquido è ancora ad alta pressione all’uscita del condensatore: andrà abbassata con un organo di laminazione; fatto questo il refrigerante può assorbire nuovamente energia dall’aria proveniente dal vano alimenti.
I principali componenti di circuito frigorifero pertanto sono dunque:
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evaporatore: permette lo scambio di energia tramite conduzione tra il refrigerante che evapora passando da liquido a gas e l’aria (o l’acqua) che si raffredda. L’evaporazione avviene a pressione e temperatura pressoché costanti;
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compressore: la sua funzione è quella di far circolare il fluido refrigerante all’interno del circuito, quindi di aspirarlo allo stato di gas dall’evaporatore e comprimerlo, aumentandone la pressione, verso il condensatore;
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condensatore: è uno scambiatore di calore analogo all’evaporatore, di dimensioni leggermente più generose; che permette lo scambio di energia tra l’aria esterna (o acqua) forzata tramite ventole ed il refrigerante in forma di gas caldo in uscita al compressore. Il refrigerante si raffredderà, condenserà a temperatura e pressione pressoché costanti e successivamente subirà in leggero sottoraffreddamento. In uscita quindi avremo refrigerante liquido ad alta pressione e temperatura leggermente inferiore alla temperatura di condensazione;
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organo di laminazione: sfrutta il principio di Bernoulli secondo il quale attraverso una restrizione la velocità del fluido aumenta notevolmente causando una diminuzione di pressione con relativa diminuzione di temperatura. In questo modo il refrigerante liquido torna a bassa pressione e bassa temperatura pronto per evaporare nuovamente e ripetere il ciclo.
Tipologie di freon
A seconda della presenza o meno di cloro, i gas freon sono divisi in:
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CFC (clorofluorocarburi): idrocarburi che non presentano alcun atomo di idrogeno, e non sono più utilizzati a causa della loro dannosità per lo strato di ozono stratosferico;
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HCFC (idroclorofluorocarburi): presentano idrogeno e minori quantità di cloro; sono dunque meno pericolosi per lo strato di ozono, ma anche questi gas non sono più impiegati, perché più tossici rispetto agli CFC;
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HFC (idrofluorocarburi): totalmente privi di cloro, non rappresentano un problema per quanto riguarda l’ozono, ma contribuiscono all’effetto serra;
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HFE (idrofluoroeteri): molecole fluorurate che contengono anche ossigeno, non dannose per lo strato di ozono né responsabili del surriscaldamento;
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CFE (clorofluoroeteri): molecole contenenti sia aria che cloro.
I fluidi refrigeranti destinati al mercato della climatizzazione/condizionamento e refrigerazione sono immagazzinati in apposite bombole di varie dimensioni, con una pressione che varia tra i 30÷60 bar (in forma liquida).
Oltreché per questi impieghi, i freon sono impiegati anche come propellenti, solventi o espandenti, e gli halon come estinguenti nell’industria alimentare, chimica e nell’impiantistica frigorifera e di condizionamento dell’aria”.
Il grado di pericolosità del freon e la prevenzione da adottare
I gas freon sono composti sicuri per via della loro elevatissima stabilità nei confronti di molti agenti chimici, sono biologicamente inerti, non sono infiammabili, ma, in caso di fughe in ambienti confinati, impoveriscono il tenore di ossigeno provocando asfissia.
Possono dunque essere correlati a infortuni e incidenti: è bene quindi essere prudenti, e ricordare sempre che tutte le bombole di gas compressi hanno il potenziale per diventare missili distruttivi; le bombole del sistema antincendio ed altre bombole ad alta portata richiedono attacchi più ampi rispetto alle bombole della maggior parte dei gas compressi; è bene utilizzare protezioni della valvola superiore, quando esse non sono in uso.
In generale, il punto di partenza di ogni prevenzione è rappresentato dalla consapevolezza piena dei rischi ai quali i può andare incontro, tanto in ambiente domestico quanto in quello lavorativo: è sempre importante quindi verificare la presenza e sussistenza anche di elementi apparentemente banali, come il normale ricambio naturale d’aria negli ambienti, e la possibilità di escludere con certezza la presenza e/o la formazione di gas pericolosi.
Limitazioni e nuovi refrigeranti
Viste le restrizioni dettate dai nuovi protocolli (Protocollo di Montreal e di Kyoto), il mercato ha cominciato a muoversi seguendo sostanzialmente due strade diverse: la ricerca di un refrigerante sintetico con il minor impatto ambientale possibile e la “riscoperta” dei refrigeranti naturali.
Tra i refrigeranti sintetici spicca l’HFO-1234yf, grazie ai suoi notevoli pregi:
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è privo o quasi di emissioni
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è un eccellente candidato potenziale a basso GWP per l’utilizzo nei sistemi di condizionamento non solo automobilistici ma anche nel confort e per l’industria
• le caratteristiche ed il rendimento sono molto vicini al 134a
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è un composto puro, ha una elevata efficienza energetica e bassa tossicità
• può essere utilizzato in sistemi progettati per funzionare con 134a con minime modifiche.
Ci sono alcune possibili problematiche legate all’infiammabilità in particolari condizioni di questo gas, che ne stanno frenando la rapida ascesa, ma continue sperimentazioni potrebbero dirimere la questione.
I refrigeranti naturali attualmente più utilizzati sono: l’ammoniaca, il propano (e similari) e l’anidride carbonica.
La prima presenta eccellenti caratteristiche termodinamiche, facile reperibilità e bassissimo costo, tuttavia è altamente tossica e moderatamente infiammabile: per gli impianti di refrigerazione industriale, nei quali non ci sono problemi di presenza di pubblico, sono messe in atto opportune misure di sicurezza, costose ma molto efficaci.
Gli idrocarburi sono i gas naturali per eccellenza, utilizzati come refrigeranti, sono considerati “amici dell’ambiente” perché non provocano effetto serra (almeno non direttamente). I principali sono: Propano, R-290 A3; Isobutano, R-600a A3; Propilene, R-1270 A3; Etano, R-170 A3. Le loro proprietà termodinamiche sono buone, come la compatibilità con i materiali normali. L’aspetto maggiormente critico è l’infiammabilità che è in genere molto alta. In realtà, però, alcuni di questi sono stati già commercializzati e usati in sistemi frigoriferi di piccola capacità perché la bassa carica di refrigerante non presenta rischi.
Le applicazioni maggiormente realizzate sono nel campo della refrigerazione commerciale, nei processi di trattamento e conservazione degli alimenti, nei condizionatori d’aria e nelle Pompe di Calore, mentre l’Isobutano è utilizzato principalmente nei frigoriferi domestici.
L’anidride carbonica è sempre più utilizzata sia nella refrigerazione industriale sia per la produzione di pompe di calore per acqua ad alta temperatura (link all’articolo Pompe di calore ad alta temperatura). Le proprietà termodinamiche le permettono di ottenere elevate efficienze sia nella bassa temperatura (refrigerazione di banchi frigo), che nell’alta temperatura (pompe di calore per acqua calda sanitaria), oltreché nell’industria degli alimenti surgelati o come fluido secondario negli impianti ad ammoniaca per i supermarket.
Nel campo del condizionamento dell’aria le applicazioni oggetto di studi approfonditi sono quelle delle Pompe di Calore per la produzione di acqua sanitaria domestica e quella per il condizionamento degli autoveicoli.
