Cos'è la temperatura di saturazione e perché è importante?
Dalle basi della fisica - l'equazione di Clausius Clapeyron - alla quotidianita': dalla bombola al surriscaldamento
26 aprile 2023
Uno dei tanti concetti che i tecnici professionisti del settore devono ben comprendere e tenere a portata di mano, è la temperatura di saturazione; questo include sapere come calcolarla e come utilizzare un grafico PT (pressione-temperatura).
La temperatura di saturazione tornera’ utile in vari calcoli e per la risoluzione di problemi, incluso il calcolo del surriscaldamento, che fornisce preziose informazioni sull'efficienza del sistema e se il refrigerante liquido puo’ raggiunge zone del sistema che non dovrebbe, come il compressore.
Cos'è la temperatura di saturazione?
La temperatura di saturazione è la “denominazione ufficiale” del punto di ebollizione. Il termine “saturazione” deriva dal fatto che è la temperatura a cui deve trovarsi un liquido per bollire ed entrare in fase vapore, in base alla sua pressione di saturazione.
A pressione costante, se si rimuove calore e si ha un vapore alla sua temperatura di saturazione, esso condenserà e diventerà un liquido. È vero anche il contrario. Se si ha un liquido alla sua temperatura di saturazione e pressione costante e si aggiunge calore, questo bollirà ed entrerà nella fase vapore.
Come si calcola la temperatura di saturazione?
È possibile calcolare la temperatura di saturazione con l'equazione di Clausius-Clapeyron. Questa mette in relazione il calore di vaporizzazione e la tensione di vapore. L'equazione di Clausius Clapeyron è mostrata di seguito in una forma simile a un'equazione lineare (y=mx+b).
La tensione di vapore (pressione) aumenta in modo non lineare all'aumentare della temperatura poiché il termine y in questo caso è un logaritmo naturale della tensione di vapore. ΔHvap è il calore di vaporizzazione. R è la costante dei gas. T è la temperatura. E C è una costante specifica del liquido in esame.
Di seguito è riportato un grafico della tensione di vapore dell'acqua rispetto alla temperatura.
Per rendere il grafico lineare, viene tracciato il logaritmo naturale della tensione di vapore in funzione della temperatura.
L'equazione può essere utilizzata per calcolare il calore di vaporizzazione o la tensione di vapore a qualsiasi temperatura. Per determinare il calore di vaporizzazione, occorre misurare la presisone di vapore a diverse temperature. È quindi possibile ricavare la pressione di vapore e la temperatura.
Principali variabili che influenzano la temperatura di saturazione: la saturazione aumenta con la temperatura?
Sì, quando la temperatura dell'aria aumenta, una quantità maggiore di acqua può rimanere in forma gassosa, aumentando la saturazione. Quando la temperatura scende, le molecole d'acqua rallentano la loro vibrazione, aumentando le possibilità che si condensino in un liquido.
Ricordiamoci che la relazione tra pressione e saturazione e' tale per cui ad una maggiore tensione di vapore (pressione) corrisponde a una maggiore saturazione.
Qual è la temperatura di saturazione del refrigerante?
La temperatura di saturazione del refrigerante dipenderà anch'essa dalla pressione. Sulla base del confronto con quanto visto, consideriamo che l'acqua ha una temperatura di saturazione o un punto di ebollizione di 100 gradi Celsius a livello del mare. Quando la pressione aumenta, aumenta anche la temperatura di saturazione. Se la pressione diminuisce, diminuirà anche la temperatura di saturazione.
Esiste un modello simile per la temperatura di saturazione del refrigerante, ma dipende anche dal refrigerante stesso. Un esempio è che il punto di ebollizione dell'R-290 è di -25,45 gradi Celsius quando la pressione è di 1 bar, ovvero e’ gassosa a pressione ambiente (e a 25 gradi Celsius e’ di 8,52 bar). Qualsiasi cambiamento di pressione cambierà la temperatura di saturazione.
Qual è la temperatura di saturazione del vapore?
La tabella (QUI il link) mostra la temperatura di saturazione del vapore per i piu’ comuni refrigeranti “naturali”.
È abbastanza semplice utilizzare un grafico PT. Guardi la pressione di saturazione per il tuo refrigerante e poi vedi a quale temperatura di saturazione corrisponde. La tabella mostra la temperatura e la pressione in bar.
Questo tipo di tabella è comune per i refrigeranti monocomponente, poiché avranno un unico punto di ebollizione. Tuttavia, esistono anche miscele zeotropiche con più componenti, e queste subiscono un frazionamento, in cui una delle sue componenti si trasforma in vapore o liquido più velocemente dell'altra.
Quando si utilizzano refrigeranti con più componenti e si leggono questi grafici, si dovra’ prestare la massima attenzione ai punti estremi del "glide". In altre parole, a quale componente cambierà prima fase è quello a cui prestare attenzione.
I grafici PT sono uno strumento popolare per alcuni situazioni, tra cui:
- La conferma della pressione della batteria evaporante necessaria per impostare per portare il refrigerante alla giusta temperatura;
- Il calcolo del surriscaldamento (riscaldamento al di sopra della temperatura alla quale il refrigerante sarebbe saturo o della sua temperatura di saturazione, in particolare dall'uscita dell'evaporatore);
- Il calcolo del sottoraffreddamento (raffreddamento al di sotto della temperatura di saturazione, in particolare all'estremità del condensatore).
Ad esempio, se vogliamo conoscere la pressione all'interno di una bombola predisposta in vuoto di un gas recuperato a temperatura ambiente, si puo' far riferimento alla tabella (a 20 gradi Celsius: R290 7,4 bar, R600a 2 bar, R717 7,6 bar ed R744 56,3 bar).
I tecnici del settore si ritroveranno a utilizzare regolarmente la temperatura di saturazione e i grafici PT durante la verifica dei sistemi e la risoluzione dei problemi.
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La Redazione