Con il termine „pompa di calore“ sono definiti dei macchinari che si compongono sostanzialmente di quattro gruppi principali.
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Evaporatore (scambiatore di calore)
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Compressore
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Condensatore (scambiatore di calore)
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Valvola d’espansione (organo di regolazione)
I singoli gruppi sono collegati tra loro attraverso un sistema ermeticamente chiuso di tubazioni, riempite con il fluido frigorigeno.
I cambiamenti di stato abbinati all’azione del cambiamento volumetrico si svolgono attraverso un processo ciclico:
- Evaporare
- Comprimere
- Condensare in un cambiamento di stato con processo isotermico ed isobaro
- Espandere
Nell’ambito di questo processo ciclico, l'energia termica viene generata sottraendola ad una fonte di calore a basso livello di temperatura attraverso l’evaporazione del fluido frigorigeno liquido a bassa pressione. L’energia termica così ottenuta, in un’ulteriore fase del processo ciclico, viene elevata ad un livello di temperatura più alto, rendendola così tecnicamente sfruttabile.
La sottrazione di energia dalla fonte di calore viene in linea di principio determinata attraverso il flusso di entalpia creato dall’evaporazione del fluido. Questo flusso di entalpia durante l’evaporazione conduce attraverso il passaggio del fluido dalla fase liquida a quella vaporosa ad un notevole incremento dell’entalpia specifica, e quindi dello specifico contenuto di energia del fluido.
All’uscita dell’evaporatore il fluido si presenta sotto forma di vapore surriscaldato e quindi privo di gocce di liquido, dotato di alta entalpia specifica. In tutto questo, il livello termico del vapore surriscaldato del fluido non deve essere superiore alla temperatura della fonte di calore.
Al vapore surriscaldato del fluido viene impresso un cambiamento volumetrico facendolo risucchiare e successivamente comprimere dal compressore. In questo modo l’entalpia specifica viene ulteriormente incrementata e la temperatura del vapore del fluido aumenta fino a raggiungere un livello di temperatura utile.
Successivamente, il flusso del fluido in forma di vapore ad alta pressione viene liquefatto attraverso un dissipatore idoneo, mentre pressione e temperatura del fluido restano praticamente costanti.
La trasmissione dell’energia al dissipatore anche qui viene determinata in linea di principio dal flusso di entalpia generato durante la condensazione del fluido. Attraverso il passaggio del fluido dallo stato vaporoso a quello liquido si crea, per il flusso di entalpia in atto durante la condensazione, una significativa diminuzione dell’entalpia specifica. Il contenuto d’energia del fluido viene quindi ridotto delle quote di entalpia precedentemente assorbite nell'evaporatore e nel compressore. All’uscita del condensatore il fluido si presenta in forma liquida.
A causa dell’alto livello di temperatura, quella del fluido frigorigeno non può risultare minore della temperatura di ritorno dal dissipatore.
In seguito avviene l’espansione del fluido liquido attraverso la valvola di espansione, in maniera da adeguarlo al basso livello pressorio nell’evaporatore. Una parte del fluido evapora già durante l’espansione, mentre la maggior parte resta in fase liquida. L’energia necessaria all’evaporazione parziale viene sottratta alla fase liquida del fluido; nello stesso tempo si ha un significativo abbassamento di temperatura nel fluido.
In questo modo, il ciclo subcritico del fluido si chiude nel momento in cui pressione e temperatura hanno di nuovo raggiunto lo stato iniziale nell’evaporatore.
| Diagramma di temperatura ed entropia: | Diagramma di pressione ed entalpia: |
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