Refrigerazione

Refrigerazione, il processo di rimozione del calore da uno spazio chiuso o da una sostanza allo scopo di abbassare la temperatura.

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Nelle nazioni industrializzate e nelle regioni ricche del mondo in via di sviluppo, la refrigerazione è usata principalmente per conservare gli alimenti a basse temperature, inibendo così l’azione distruttiva di batteri, lieviti e muffe. Molti prodotti deperibili possono essere congelati, permettendo loro di essere conservati per mesi e anche anni con poca perdita di nutrizione o di sapore o con un cambiamento di aspetto. Anche l’aria condizionata, l’uso della refrigerazione per il raffreddamento del comfort, si è diffuso nelle nazioni più sviluppate.

Prima dell’introduzione dei sistemi di refrigerazione meccanica, i popoli antichi, compresi i Greci e i Romani, raffreddavano il loro cibo con ghiaccio trasportato dalle montagne. Le famiglie ricche facevano uso di cantine di neve, fosse scavate nel terreno e isolate con legno e paglia, per conservare il ghiaccio. In questo modo, la neve imballata e il ghiaccio potevano essere conservati per mesi. Il ghiaccio immagazzinato era il principale mezzo di refrigerazione fino all’inizio del 20° secolo, ed è ancora usato in alcune zone.

In India e in Egitto si utilizzava il raffreddamento per evaporazione. Se un liquido viene vaporizzato rapidamente, si espande rapidamente. Le molecole di vapore che salgono aumentano bruscamente la loro energia cinetica. Gran parte di questo aumento viene prelevato dalle immediate vicinanze del vapore, che viene quindi raffreddato. Così, se l’acqua viene messa in vaschette poco profonde durante le fresche notti tropicali, la sua rapida evaporazione può causare la formazione di ghiaccio nelle vaschette, anche se l’aria non scende sotto le temperature di congelamento. Controllando le condizioni di evaporazione, è possibile formare anche grandi blocchi di ghiaccio in questo modo.

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Il raffreddamento causato dalla rapida espansione dei gas è il principale mezzo di refrigerazione oggi. La tecnica del raffreddamento evaporativo, come descritta in precedenza, è conosciuta da secoli, ma i metodi fondamentali della refrigerazione meccanica furono scoperti solo a metà del XIX secolo. La prima refrigerazione artificiale conosciuta fu dimostrata da William Cullen all’Università di Glasgow nel 1748. Cullen fece bollire l’etere etilico in un vuoto parziale; non utilizzò però il risultato per alcuno scopo pratico. Nel 1805 un inventore americano, Oliver Evans, progettò la prima macchina frigorifera che utilizzava il vapore invece del liquido. Evans non costruì mai la sua macchina, ma una simile fu costruita da un medico americano, John Gorrie, nel 1844.

Si ritiene che la refrigerazione commerciale sia stata iniziata da un uomo d’affari americano, Alexander C. Twinning, nel 1856. Poco dopo, un australiano, James Harrison, esaminò i frigoriferi usati da Gorrie e Twinning e introdusse la refrigerazione a compressione di vapore nell’industria della birra e del confezionamento della carne. Un sistema un po’ più complesso fu sviluppato dal francese Ferdinand Carré nel 1859. A differenza delle precedenti macchine a compressione di vapore, che usavano l’aria come refrigerante, l’attrezzatura di Carré conteneva ammoniaca in rapida espansione. (L’ammoniaca si liquefa a una temperatura molto più bassa dell’acqua ed è quindi in grado di assorbire più calore). I frigoriferi di Carré furono ampiamente utilizzati, e la refrigerazione a compressione di vapore divenne, ed è tuttora, il metodo di raffreddamento più diffuso.

Nonostante il successo dell’uso dell’ammoniaca, quella sostanza aveva un grave svantaggio: se perdeva, era sgradevole oltre che tossica. Gli ingegneri della refrigerazione cercarono dei sostituti accettabili fino agli anni 1920, quando furono sviluppati diversi refrigeranti sintetici. La più nota di queste sostanze fu brevettata con il nome di Freon. Chimicamente, il Freon fu creato dalla sostituzione di due atomi di cloro e due di fluoro per i quattro atomi di idrogeno del metano (CH4); il risultato, il diclorofluorometano (CCl2F2), è inodore ed è tossico solo in dosi estremamente elevate.

I componenti base di un moderno sistema di refrigerazione a compressione di vapore sono un compressore; un condensatore; un dispositivo di espansione, che può essere una valvola, un tubo capillare, un motore o una turbina; e un evaporatore. Il gas refrigerante viene prima compresso, di solito da un pistone, e poi spinto attraverso un tubo nel condensatore. Nel condensatore, il tubo di avvolgimento contenente il vapore viene fatto passare attraverso aria circolante o un bagno d’acqua, che rimuove parte dell’energia termica del gas compresso. Il vapore raffreddato viene fatto passare attraverso una valvola di espansione in una zona di pressione molto più bassa; mentre il vapore si espande, trae l’energia della sua espansione dall’ambiente circostante o dal mezzo in contatto con esso. Gli evaporatori possono raffreddare direttamente uno spazio lasciando che il vapore entri in contatto con la zona da raffreddare, o possono agire indirettamente, cioè raffreddando un mezzo secondario come l’acqua. Nella maggior parte dei frigoriferi domestici, la serpentina che contiene l’evaporatore entra direttamente in contatto con l’aria dello scomparto alimentare. Alla fine del processo, il gas caldo viene attirato verso il compressore.

Negli anni ’60 alcune caratteristiche dei semiconduttori iniziarono ad essere utilizzate per la refrigerazione commerciale. Il principale tra questi era l’effetto Peltier, dal nome del chimico francese Jean Peltier, che osservò nel 1834 che le correnti elettriche che passavano attraverso la giunzione di due metalli diversi a volte causavano il raffreddamento della giunzione. Quando la giunzione è fatta di semiconduttori come il tellururo di bismuto, l’effetto Peltier è di grandezza sufficiente per permetterne l’uso commerciale.

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