Refrigerazione

La refrigerazione mantiene uno spazio più freddo dell'ambiente facendovi bollire un liquido, che assorbe calore, e portando poi il vapore all'esterno per comprimerlo e riportarlo allo stato liquido. Jacob Perkins brevettò a Londra nel 1834 la prima macchina a compressione di vapore a circuito chiuso; le macchine ad ammoniaca raffreddavano birrifici e navi negli anni Settanta dell'Ottocento, e il frigorifero elettrico domestico si diffuse dalla fine degli anni Venti del Novecento.

Che cos’è

Un frigorifero toglie calore a uno spazio chiuso e lo scarica fuori, dal freddo verso il caldo, al contrario di come il calore scorre da sé. Il cibo si conserva più a lungo perché i batteri e le muffe che lo guastano crescono lentamente al freddo. Le stesse macchine producono ghiaccio, raffreddano la birra durante la fabbricazione, portano carne congelata da un continente all’altro e climatizzano gli edifici.

Quasi tutte funzionano con il ciclo a compressione di vapore. La tavola ne mostra la prima forma funzionante: una macchina a etere che l’ingegnere John Hague costruì a Londra sul brevetto di Jacob Perkins del 1834. La pompa era azionata a mano.

Come funziona

Il doppio vaso di terracotta sfrutta lo stesso effetto: l’acqua che evapora dalla sabbia umida sottrae calore al vaso interno.

Un liquido che evapora prende calore da tutto ciò che tocca; il sudore rinfresca la pelle allo stesso modo. Più la pressione è bassa, più la temperatura di ebollizione scende: l’etere bolle a circa 35 °C all’aria aperta, ma in un recipiente in cui una pompa tiene bassa la pressione bolle ben al di sotto del punto di congelamento dell’acqua.

Nella macchina di Hague il recipiente di rame a doppia parete contiene nella vaschetta interna l’acqua da congelare, e l’etere occupa lo spazio fra le due pareti. La pompa aspira il vapore d’etere dalla parte alta di questa camicia, così l’etere liquido continua a bollire e sottrae calore all’acqua finché non gela. Carbone di legna in polvere pressato intorno al recipiente frena il calore che arriva dalla stanza.

La stessa pompa spinge poi il vapore in un tubo di rame avvolto, la serpentina, immerso in una vasca d’acqua corrente. Una valvola caricata a circa 15 libbre per pollice quadrato, poco più di un bar, trattiene il vapore sotto pressione nella serpentina. Compresso e raffreddato dall’acqua, il vapore torna liquido e cede il calore preso al recipiente, più il lavoro fornito alla pompa. Il liquido supera la valvola, la sua pressione cala e torna nella camicia per bollire di nuovo. La stessa carica di etere gira così in tondo senza consumarsi.

Un frigorifero moderno fa lo stesso con un compressore elettrico, una griglia di tubi sul retro che scalda la cucina, un tubo sottile o una valvola dove la pressione cala, e un evaporatore dentro l’apparecchio. I frigoriferi ad assorbimento sostituiscono la pompa con un liquido che assorbe il vapore del refrigerante e con un bruciatore o una resistenza che lo scaccia di nuovo.

Come costruirlo

Un vero circuito frigorifero contiene un fluido volatile sotto pressione. L’etere è molto infiammabile e il suo vapore può esplodere; l’ammoniaca è tossica; i refrigeranti di oggi sono conservati liquidi a diversi bar e alcuni sono infiammabili. Le macchine si costruiscono e si caricano in fabbrica; lasciate qualsiasi apertura, carica o svuotamento di un circuito a frigoristi qualificati, secondo le norme locali. Non costruite compressori né recipienti a pressione, e non tagliate né forate mai i tubi di un vecchio frigorifero.

L’effetto su cui si basa si può mostrare senza rischi con un raffreddatore a doppio vaso.

Scegliere i vasi. Prendete due vasi di terracotta non smaltata, nuovi e puliti, uno più largo dell’altro di circa 5 cm tutto intorno; quello interno, che tocca il cibo, deve essere venduto per uso alimentare, mai un vecchio vaso da giardino. Chiudete i fori di scolo con argilla o un tappo di sughero.

Riempire l’intercapedine. Mettete uno strato di sabbia sul fondo del vaso grande, appoggiatevi sopra il piccolo e riempite di sabbia lo spazio fra i due fino all’orlo.

Bagnare. Versate acqua pulita nella sabbia finché è inzuppata ma non allagata. Coprite il vaso interno con un panno di cotone umido.

Sistemare. Mettete il raffreddatore all’ombra, dove l’aria secca gli circola intorno. L’acqua che trasuda dalla parete esterna evapora e sottrae calore alla sabbia e al vaso interno. Con aria calda e secca l’interno può restare alcuni gradi sotto la temperatura ambiente; con aria umida l’effetto è scarso. Aggiungete acqua una o due volte al giorno.

Sicurezza. Un raffreddatore a evaporazione rallenta soltanto il deterioramento: non arriva ai 5 °C o meno necessari per carne, pesce e latticini; usatelo solo per frutta e verdura intere, non tagliate, che si conservano a temperatura ambiente, mai per frutta tagliata, insalate o cibi cotti, e controllatene la temperatura con un termometro. Tenete puliti sabbia e panno e fate asciugare spesso i vasi per evitare la muffa. Non aprite, forate o scaldate mai il circuito di un frigorifero o di un condizionatore.

Storia ed evoluzione

Prima che le macchine arrivassero in cucina, un blocco di ghiaccio raffreddava la ghiacciaia rivestita di zinco.

Molto prima di qualsiasi macchina si conservava il ghiaccio invernale in fosse e ghiacciaie e si rinfrescava l’acqua in brocche porose. In Scozia William Cullen mostrò che un liquido che evapora rapidamente a pressione ridotta, l’etere nella sua dimostrazione più nota, raffredda l’acqua circostante fino a farla gelare; i resoconti datano questi lavori fra il 1748 e il 1756. Rimase una dimostrazione di laboratorio. Nel 1805 l’americano Oliver Evans descrisse un ciclo chiuso a compressione di vapore, ma non lo costruì mai.

Jacob Perkins, inventore americano stabilito a Londra, brevettò una macchina a circuito chiuso il 14 agosto 1834. Hague la costruì; produsse un po’ di ghiaccio ma non trovò compratori. L’idea divenne un’attività commerciale negli anni Cinquanta dell’Ottocento, quando James Harrison in Australia e Alexander Twining negli Stati Uniti costruirono le prime macchine per il ghiaccio vendute. Nel 1859 il francese Ferdinand Carré brevettò una macchina ad assorbimento con ammoniaca disciolta in acqua. Negli anni Settanta Carl von Linde progettò a Monaco macchine a compressione di ammoniaca; una delle prime, venduta nel 1876, andò a un birrificio di Trieste. Lo stesso anno la nave francese Frigorifique, attrezzata da Charles Tellier, trasportò per la prima volta via mare carne refrigerata fra Rouen e Buenos Aires.

Il Monitor Top del 1927: il compressore sta nel tamburo, e la serpentina di rame che lo circonda cede il calore tolto all’interno del mobile.

I piccoli motori elettrici resero possibile il frigorifero domestico. Il Monitor Top della General Electric, del 1927, con il compressore in un tamburo sopra il mobile, costava circa 525 dollari al lancio e scese a circa 200 in pochi anni. I clorofluorocarburi come il freon, sviluppati nel 1928 e prodotti industrialmente dall’inizio degli anni Trenta, sostituirono poi i refrigeranti tossici o infiammabili dei primi apparecchi di casa, come l’anidride solforosa, il cloruro di metile e l’ammoniaca. In seguito si scoprì che distruggevano lo strato di ozono, e il Protocollo di Montréal del 1987 ne avviò l’abbandono; nel 2016 l’emendamento di Kigali vi aggiunse i loro sostituti, gli HFC, potenti gas serra. Nel 2024 l’Istituto internazionale della refrigerazione stimava che refrigerazione e climatizzazione consumino circa un quinto dell’elettricità mondiale.