Ricerca di fisica sul funzionamento di un frigorifero

Materie:Appunti
Categoria:Fisica
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Data:18.04.2005
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RICERCA DI FISICA
SUL FUNZIONAMENTO DEL FRIGORIFERO:

SVOLTA DA FEDERICO TORZA.

1. COS’E’ UN FRIGORIFERO
Il frigorifero, apparecchio che secondo una recente statistica è l’elettrodomestico più diffuso nelle case degli italiani, è una macchina la cui funzione è quella di trasferire il calore da una sorgente a bassa temperatura verso una a temperatura più alta.
Tutto ciò è possibile,come vedremo successivamente, grazie all’impiego di una certa quantità di lavoro fornita dall’esterno.
2. FUNZIONAMENTO DI UN FRIGORIFERO
Il principio di funzionamento di un frigorifero si basa sul fenomeno dell’espansione Joule-Thomson di un fluido: il fluido, nell’attraversare una strozzatura, si raffredda. Il dispositivo delegato a questo scopo è la cosiddetta valvola di espansione (Fig. 1).
Il fluido operatore, detto anche refrigerante, entra nella valvola di espansione ad una pressione che , per esempio, può essere di 8 atm (808 kPa), realizzata grazie ad un compressore elettromeccanico, e ne fuoriesce ad una pressione di poco superiore a quella atmosferica (120 kPa).
Nell’espansione il gas si raffredda; la sua temperatura può passare, per esempio, da circa 30 °C a -25 °C.
Il fluido freddo entra nell’evaporatore, una serpentina fredda disposta all’interno del frigorifero, dove evapora assorbendo calore dal sistema da raffreddare.
Successivamente raggiunge l’ingresso a bassa pressione del compressore. In uscita dal compressore la pressione e la temperatura del fluido crescono.
Il fluido caldo attraversa il condensatore, la serpentina calda disposta sulla parete posteriore del frigorifero, e disperde calore nell’ambiente pre-raffreddandosi prima di rientrare nella valvola di espansione.
La particolarità di questo tipo di trasformazione ciclica, perché proprio di questa si tratta, è il suo verso: se nel motore ideale a quattro tempi la trasformazione descritta in un piano cartesiano era rigorosamente in senso orario, nel frigorifero sarà invece descritta con il senso antiorario.
I seguenti schemi illustrano altre parti del frigorifero:

visione generale di un
frigorifero

3. IL PROBLEMA DELLO SPRECO DI ENERGIA:
Uno dei grandi problemi del frigorifero domestico è il dispendio di energia: proprio l’energia elettrica è infatti quel lavoro esterno di cui si parlava prima necessario per far sì che il ciclo della trasformazione si chiuda. Il classico frigorifero da appartamento è verticale, ovvero ha una forma che ricorda vagamente quella di un semplice armadio; all’interno del frigorifero si posizionano i cibi a seconda della loro temperatura di conservazione: le cibarie che avranno bisogno di una temperatura più bassa andranno posizionate nei ripiani inferiori mentre quelle che non hanno bisogno di temperature molto basse possono anche essere posizionate nelle zone alte dove staziona l’aria più calda(che ha sempre densità minore rispetto a quella fredda). Questa differenza di temperatura causa leggeri moti convettivi all’interno del frigorifero stesso e quando questo viene aperto la maggioranza dell’aria refrigerata viene dispersa nell’ambiente circostante; tutto ciò causa un notevole spreco di energia,soprattutto se l’elettrodomestico viene aperto molte volte nell’arco di una giornata. Ma allora come mai i frigoriferi dei supermercati,simili a vasche, hanno bisogno di poca energia per funzionare pur essendo aperti,mentre per un normale frigorifero da casa ne occorre di più? Può sembrare paradossale che un frigorifero che viene aperto ogni tanto possa consumare più energia di uno che rimane costantemente aperto ma è proprio così: come già accennato prima, l’aria più fredda, avendo una densità maggiore,tende ad andare verso il basso e da questo è facile dedurre come i cibi nei supermercati rimangano sempre in un ambiente freddo pur avendo apparentemente un costante contatto con l’esterno.
4. COME RISOLVERE QUESTO PROBLEMA:
• posizionare l 'apparecchio nel punto più freddo della cucina, lontano da fonti di calore.
• lasciare uno spazio di 10 cm. tra parete e il retro dell'apparecchio per consentire una buona areazione.
• regolare il termostato su una posizione intermedia (posizioni più fredde comportano inutili aumenti dei consumi del 10 - 15%.
• disporre gli alimenti secondo le esigenze di conservazione (di solito per il frigorifero la zona più fredda é quella sopra i cassetti della verdura ).
• non introdurre mai cibi caldi nel frigorifero e nel congelatore perché formano la brina.
• prelevare rapidamente i cibi dal frigorifero e dal congelatore.
• occhio alla manutenzione! (controllare le guarnizioni, sbrinare la cella altrimenti la brina oltre a ridurre il volume utile, forma uno strato isolante sottraendo freddo dall'apparecchio e facendo aumentare i consumi di energia.
• Comperare possibilmente frigoriferi a pozzo:sono più isolanti e disperdono meno freddo quando vengono aperti.
5. IL FRIGORIFERO IDEALE DI CARNOT:
La prossima figura illustra in modo schematizzato il concetto di frigorifero ideale per carnot, ovvero un frigorifero che utilizza due sole sorgenti di calore
L,QC e QF rappresentano i valori assoluti del lavoro e dei calori scambiati in ciascun ciclo
= coefficiente di prestazione

Considerando che in un ciclo di Carnot:
si trova:

6. UNA CURIOSITA’:
Ricercatori della Penn State University, guidati dal docente di acustica Steven Garrett, hanno messo a punto un progetto per un frigorifero di piccole dimensioni che funziona con onde sonore. Il dispositivo utilizza un altoparlante appositamente costruito per creare energia sonora, all'interno di una soluzione gassosa, ampiamente superiore a quella che viene prodotta dai più chiassosi concerti di musica rock: nell'ordine di diverse centinaia di migliaia di volte.
Durante le prime sperimentazioni del prototipo, i ricercatori hanno portato la temperatura a otto gradi sotto zero. Questa ricerca potrebbe in futuro portare alla nascita di frigoriferi domestici molto più rispettosi dell'ambiente visto che non sfrutterebbero più i refrigeranti chimici come i frigoriferi convenzionali.
Il progetto è stato presentato a Cancun, in Messico, lo scorso mese di dicembre durante il simposio di acustica. Il primo autore e detentore della tesi è il dottorando in acustica Matthew Poese.
RICERCA DI FISICA
SUL FUNZIONAMENTO DEL FRIGORIFERO:

SVOLTA DA FEDERICO TORZA.

1. COS’E’ UN FRIGORIFERO
Il frigorifero, apparecchio che secondo una recente statistica è l’elettrodomestico più diffuso nelle case degli italiani, è una macchina la cui funzione è quella di trasferire il calore da una sorgente a bassa temperatura verso una a temperatura più alta.
Tutto ciò è possibile,come vedremo successivamente, grazie all’impiego di una certa quantità di lavoro fornita dall’esterno.
2. FUNZIONAMENTO DI UN FRIGORIFERO
Il principio di funzionamento di un frigorifero si basa sul fenomeno dell’espansione Joule-Thomson di un fluido: il fluido, nell’attraversare una strozzatura, si raffredda. Il dispositivo delegato a questo scopo è la cosiddetta valvola di espansione (Fig. 1).
Il fluido operatore, detto anche refrigerante, entra nella valvola di espansione ad una pressione che , per esempio, può essere di 8 atm (808 kPa), realizzata grazie ad un compressore elettromeccanico, e ne fuoriesce ad una pressione di poco superiore a quella atmosferica (120 kPa).
Nell’espansione il gas si raffredda; la sua temperatura può passare, per esempio, da circa 30 °C a -25 °C.
Il fluido freddo entra nell’evaporatore, una serpentina fredda disposta all’interno del frigorifero, dove evapora assorbendo calore dal sistema da raffreddare.
Successivamente raggiunge l’ingresso a bassa pressione del compressore. In uscita dal compressore la pressione e la temperatura del fluido crescono.
Il fluido caldo attraversa il condensatore, la serpentina calda disposta sulla parete posteriore del frigorifero, e disperde calore nell’ambiente pre-raffreddandosi prima di rientrare nella valvola di espansione.
La particolarità di questo tipo di trasformazione ciclica, perché proprio di questa si tratta, è il suo verso: se nel motore ideale a quattro tempi la trasformazione descritta in un piano cartesiano era rigorosamente in senso orario, nel frigorifero sarà invece descritta con il senso antiorario.
I seguenti schemi illustrano altre parti del frigorifero:

visione generale di un
frigorifero

3. IL PROBLEMA DELLO SPRECO DI ENERGIA:
Uno dei grandi problemi del frigorifero domestico è il dispendio di energia: proprio l’energia elettrica è infatti quel lavoro esterno di cui si parlava prima necessario per far sì che il ciclo della trasformazione si chiuda. Il classico frigorifero da appartamento è verticale, ovvero ha una forma che ricorda vagamente quella di un semplice armadio; all’interno del frigorifero si posizionano i cibi a seconda della loro temperatura di conservazione: le cibarie che avranno bisogno di una temperatura più bassa andranno posizionate nei ripiani inferiori mentre quelle che non hanno bisogno di temperature molto basse possono anche essere posizionate nelle zone alte dove staziona l’aria più calda(che ha sempre densità minore rispetto a quella fredda). Questa differenza di temperatura causa leggeri moti convettivi all’interno del frigorifero stesso e quando questo viene aperto la maggioranza dell’aria refrigerata viene dispersa nell’ambiente circostante; tutto ciò causa un notevole spreco di energia,soprattutto se l’elettrodomestico viene aperto molte volte nell’arco di una giornata. Ma allora come mai i frigoriferi dei supermercati,simili a vasche, hanno bisogno di poca energia per funzionare pur essendo aperti,mentre per un normale frigorifero da casa ne occorre di più? Può sembrare paradossale che un frigorifero che viene aperto ogni tanto possa consumare più energia di uno che rimane costantemente aperto ma è proprio così: come già accennato prima, l’aria più fredda, avendo una densità maggiore,tende ad andare verso il basso e da questo è facile dedurre come i cibi nei supermercati rimangano sempre in un ambiente freddo pur avendo apparentemente un costante contatto con l’esterno.
4. COME RISOLVERE QUESTO PROBLEMA:
• posizionare l 'apparecchio nel punto più freddo della cucina, lontano da fonti di calore.
• lasciare uno spazio di 10 cm. tra parete e il retro dell'apparecchio per consentire una buona areazione.
• regolare il termostato su una posizione intermedia (posizioni più fredde comportano inutili aumenti dei consumi del 10 - 15%.
• disporre gli alimenti secondo le esigenze di conservazione (di solito per il frigorifero la zona più fredda é quella sopra i cassetti della verdura ).
• non introdurre mai cibi caldi nel frigorifero e nel congelatore perché formano la brina.
• prelevare rapidamente i cibi dal frigorifero e dal congelatore.
• occhio alla manutenzione! (controllare le guarnizioni, sbrinare la cella altrimenti la brina oltre a ridurre il volume utile, forma uno strato isolante sottraendo freddo dall'apparecchio e facendo aumentare i consumi di energia.
• Comperare possibilmente frigoriferi a pozzo:sono più isolanti e disperdono meno freddo quando vengono aperti.
5. IL FRIGORIFERO IDEALE DI CARNOT:
La prossima figura illustra in modo schematizzato il concetto di frigorifero ideale per carnot, ovvero un frigorifero che utilizza due sole sorgenti di calore
L,QC e QF rappresentano i valori assoluti del lavoro e dei calori scambiati in ciascun ciclo
= coefficiente di prestazione

Considerando che in un ciclo di Carnot:
si trova:

6. UNA CURIOSITA’:
Ricercatori della Penn State University, guidati dal docente di acustica Steven Garrett, hanno messo a punto un progetto per un frigorifero di piccole dimensioni che funziona con onde sonore. Il dispositivo utilizza un altoparlante appositamente costruito per creare energia sonora, all'interno di una soluzione gassosa, ampiamente superiore a quella che viene prodotta dai più chiassosi concerti di musica rock: nell'ordine di diverse centinaia di migliaia di volte.
Durante le prime sperimentazioni del prototipo, i ricercatori hanno portato la temperatura a otto gradi sotto zero. Questa ricerca potrebbe in futuro portare alla nascita di frigoriferi domestici molto più rispettosi dell'ambiente visto che non sfrutterebbero più i refrigeranti chimici come i frigoriferi convenzionali.
Il progetto è stato presentato a Cancun, in Messico, lo scorso mese di dicembre durante il simposio di acustica. Il primo autore e detentore della tesi è il dottorando in acustica Matthew Poese.

Esempio



  


  1. Jorja

    Intelligence and simplicity - easy to undrsaetnd how you think.