Come funziona una pompa di calore: due esperimenti semplici per capirlo

Pompa di calore: caratteristiche e funzionamento

Una pompa di calore viene utilizzata per riscaldare e raffrescare un ambiente. È un dispositivo in grado di estrarre calore da una fonte esterna a temperatura più bassa dell’ambiente che si vuole riscaldare. In quest’articolo scoprirai come funziona una pompa di calore e come sia possibile che lo stesso dispositivo sia in grado di produrre caldo e freddo allo stesso tempo. È quello che vedremo nel nuovo articolo di oggi grazie a due semplici esperimenti che sfruttano due oggetti di uso comune: una bomboletta spray e un gonfietto da bici. 

Un funzionamento ciclico in 4 fasi

Il funzionamento di una pompa di calore prevede quattro fasi:

1. evaporazione: il fluido refrigerante si espande nel circuito di condensazione e passa allo stato gassoso, diminuendo la sua temperatura.
2. compressione: un compressore comprime il fluido refrigerante nel circuito, con conseguente aumento di pressione e temperatura.
3. condensazione: il fluido refrigerante passa allo stato liquido in seguito all’aumento di pressione generato dal compressore. L’aumento di pressione aumenta la temperatura del fluido che cederà calore all’ambiente da riscaldare.
4. espansione: attraverso una valvola di laminazione il fluido refrigerante passa nel circuito di evaporazione, in cui si troverà a temperatura più bassa, ripetendo l’intero ciclo appena descritto.

Da cosa è composta una pompa di calore

Una pompa di calore estrae calore dall’ambiente esterno e lo veicola dove se ne ha necessità. Il suo funzionamento è costituito da due cicli principali: compressione e condensazione. 

Ma come fa una pompa di calore ad estrarre calore dall’ambiente esterno quando è inverno e la temperatura esterna è molto bassa? Il principio è semplice: il calore si trasferisce dal corpo più caldo al corpo più freddo. Per poter assorbire calore dall’ambiente esterno, la pompa di calore dovrà generare una temperatura inferiore a quella dell’ambiente esterno in modo tale che il calore contenuto si trasferisca al circuito della pompa di calore in cui circola il fluido refrigerante a temperatura più bassa.

I componenti principali di una pompa di calore sono: 

• Un condensatore: ovvero un circuito in cui scorre il fluido refrigerante il cui scopo è cedere calore all’ambiente da riscaldare
• Un evaporatore: ovvero un circuito che ha lo scopo di assorbire calore dall’ambiente esterno per poi trasferirlo all’ambiente interno;
• Una valvola di laminazione che separa il circuito di condensazione (caldo) da quello di evaporazione (freddo) mantenendo la differenza di pressione fra i due circuiti
• Un compressore: un dispositivo elettrico che genera la differenza di pressione fra il circuito di condensazione e quello di evaporazione.

Una bomboletta spray per capire la fase di evaporazione

La prima fase del ciclo di una pompa di calore consiste nell’evaporazione di un liquido refrigerante. Il liquido, espandendosi, diminuisce la sua temperatura. Diventando più freddo dell’ambiente esterno, inizierà ad assorbire calore da esso. È lo stesso fenomeno che accade quando si utilizza una bomboletta spray. Schiacciando il tasto che provoca la fuoriuscita del gas per un tempo prolungato, sentiremo la bomboletta diventare fredda nella parte superiore a contatto con la nostra mano. È la stessa cosa che accade nel circuito di evaporazione di una pompa di calore.

Un gonfietto da bici per capire la fase di compressione

La seconda fase del ciclo di funzionamento di una pompa di calore è la compressione. Se si comprime un gas, aumenterà la sua temperatura. In tal modo, avendo il gas una temperatura più alta dell’ambiente interno, cederà calore all’ambiente interno. Puoi sperimentare la seconda fase del ciclo di una pompa di calore attraverso un gonfietto da bici. Se comprimi il gonfietto tappando il buco di fuoriuscita dell’aria sentirai la temperatura aumentare. È lo stesso principio che determina l’aumento di temperatura nel fluido del circuito di condensazione di una pompa di calore

Un solo impianto per il caldo e per il freddo

Una pompa di calore è in grado di generare sia riscaldamento che raffrescamento. Per passare alla funzione di raffrescamento è sufficiente invertire il ciclo di funzionamento. Invece di comprimere il fluido nell’ambiente interno ed espanderlo nell’ambiente esterno, il ciclo si inverte. La pompa di calore estrarrà quindi calore dall’ambiente interno per disperderlo nell’ambiente esterno. In tal modo l’impianto può essere utilizzato sia per raffrescare che per riscaldare.

La classificazione delle pompe di calore

Le pompe di calore possono estrarre il calore da diverse fonti. Vengono classificate in base alla tipologia della fonte di calore che utilizzano. Si possono distinguere le seguenti tipologie:

• Aria-aria: estrae calore dall’aria esterna per riscaldare gli ambienti interni
• Aria-acqua: estrae calore dall’aria esterna per riscaldare un fluido che scorre all’interno di un circuito di termosifoni o pannelli radianti
• Acqua-acqua: estrae calore dall’acqua di falda per riscaldare un fluido che scorre all’interno di un circuito di termosifoni o pannelli radianti
• Terra-acqua: estrae calore dal terreno.

Conclusioni

Conoscere il principio di funzionamento di un impianto può aiutare un tecnico a scegliere la tipologia e il modello di impianto più adatto alle esigenze da soddisfare. La conoscenza del funzionamento di un impianto consentirà anche di comprendere meglio i parametri che ne definiscono le sue caratteristiche. Come hai potuto vedere una pompa di calore è un dispositivo che utilizza l’elettricità per generare sia caldo che freddo attraverso un compressore, una valvola di laminazione e due circuiti chiusi. Può essere utilizzato sia per produrre acqua calda sanitaria che per riscaldare/raffrescare un appartamento. 

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