GHIACCIO
GHIACCIO (fr. glace; sp. hielo; ted. Eis; ingl. ice)
È lo stato solido di aggregazione che l'acqua assume quando la temperatura ha toccato un grado che è stato preso come zero della scala termomnetrica centigrada (v. acqua). V. anche ghiacciaio; ghiacci marini.
Ghiaccio artificiale.
È il ghiaccio ottenuto portando l'acqua (v.) alla temperatura di solidificazione per mezzo di una macchina frigorifera. Cominciò a essere prodotto industrialmente verso il 1870, dopo l'apparizione delle prime macchine frigorifere (v. refrigerazione), e andò rapidamente sostituendo, anche perché chimicamente e batteriologicamente più puro, il ghiaccio naturale, che fino a quel tempo era pressoché il solo a essere usato per produrre basse temperature, e si otteneva provocando la congelazione dell'acqua in bacini di grande superncie e poca profondità creati in località adatte.
Secondo Maass e Waldbauer il calore latente di fusione (q) del ghiaccio è q = 79,42 Cal./kg. e il suo calore specifico (c) a temperatura t:
Nella pratica industriale si considera generalmente che le principali ciratteristiche fisiche del ghiaccio abbiano i seguenti valori: q = 80 Cal./kg.; c = 0,5 Cal. /kg.; δ′ = 850 ÷ 860 kg./mc. (ghiaccio opaco); δ″ = 910 ÷ 920 kg./mc (ghiaccio cristallino); β = o,8 ÷ 1,8: dove δ′ ε δ″ sono i pesi specifici e β il coefficiente di conduttività termica, ossia la quantità di calore, espressa in calorie, che passa in 1 ora attraverso un metro quadrato delle due superficie di un solido poste alla distanza di 1 m. e aventi la differenza di temperatura di 10. La sua variabilità dipende dalle impurità che può contenere il ghiaccio.
Per fabbricare il ghiaccio artificiale occorre tener co1ito, oltre che delle 80 frigorie per kg. di ghiaccio prodotto, necessarie per la solidificazione a 0°, anche di quelle necessarie per portare l'acqua dalla temperatura alla quale è disponibile (generalmente a + 15° circa) a 0° e il ghiaccio da 0° a quella della salamoia (a − 6° circa). Praticamente poi occorre aggiungere le frigorie che si disperdono nel congelatore e nelle tubazioni che variano, a seconda della quantità prodotta nelle 24 ore, da 60 frigorie per kg. per la produzione di 1 q. di ghiaccio, a 17 ÷ 15 frigorie per kg. per produzione di oltre 200 q. In totale 15 × 1 + 80 + 6 × o,5 + 60 ÷ 15 = da 113 a 158 friġorie per kg. di ghiaccio prodotto.
A seconda che il ghiaccio artificialmente prodotto conservi o meno imprigionate delle bollicine d'aria, o sia più o meno ricco di sali, si distingue in cristallino, semitrasparente, opaco. Il ghiaccio assolutamente puro e perfettamente cristallino non deve contenere bollicine d'aria e impurezze: esso andrebbe, quindi, prodotto usando acqua distillata e completamente disaereata. Ma poiché oggi i motori elettrici sono più diffusi delle motrici a vapore e la distillazione dell'acqua con essi risulta costosa, questo tipo di ghiaccio è prodotto in quantità limitata e per scopi speciali. Molto maggiore importanza ha il ghiaccio semitrasparente: è prodotto usando acqua potabile, la quale però è sottoposta ad agitazione durante il periodo di congelamento per liberarla dalle bollicine d'aria in essa contenute; allora i primi strati rimangono puri e trasparenti, mentre i sali si concentrano progressivamente nell'acqua ancora liquida; quelli insolubili, quando l'agitazione non è più sufficiente per tenerli sospesi, si depositano prima che il blocco sia completamente solidificato; quelli solubili e i gas rimasti formano al centro il nocciolo di color biancastro. Il ghiaccio opaco è prodotto senza agitare l'acqua potabile: è di color bianco lattiginoso, ed è il più economico, perché occorrono pochi dispositivi e la durata di congelazione è minore, ma è poco accetto in commercio, sia pel suo colore, sia perché più facile a sciogliersi; tuttavia per alcuni usi, come la conservazione del pesce e la gelateria, è più richiesto.
In genere l'acqua potabile è sufficientemente pura per la produzione di ghiaccio commerciabile. Talvolta però deve essere depurata dei sali, se ne contiene in quantità eccessiva, perché possono produrre inconvenienti nella fabbricazione del ghiaccio: alcuni sali, a es. (sali di sodio e di potassio) abbassano il punto di congelamento dell'acqua; altri (quelli di magnesio e calcio) aumentano la fragilità del ghiaccio; altri ancora (quelli di ferro, ecc.) dànno delle colorazioni che lo rendono poco accetto in commercio.
Fabbricazione. - Una fabbrica di ghiaccio è costituita dal cosiddetto generatore di ghiaccio e relativo impianto frigorifero (fig. 1; v. refrigerazione) cui normalmente fa complemento la ghiacciaia, un magazzino isolato termicamente e raffreddato per la conservazione del ghiaccio.
L'impianto frigorifero si basa essenzialmente sul sistema a evaporazione, in cui il raffreddamento è prodotto dall'espansione di un gas compresso. A seconda che il mezzo refrigerante venga assorbito, dopo l'evaporazione, da un liquido oppure sia compresso per esser liquefatto, l'impianto è ad assorbimento o a compressione. Nell'impianto ad assorbimento s'impiega ammoniaca per la sua proprietà di sciogliersi nell'acqua fredda, di cui è avida, e di potersi facilmente liberare riscaldandola. Questo riscaldamento avviene nell'ebollitore; dopo, l'ammoniaca, allo stato gassoso, viene liquefatta, per raffreddamento, nel condensatore, spinta attraverso una valvola di regolazione nell'evaporatore ove avviene l'espansione del gas con conseguente produzione di frigorie e infine riassorbita dall'acqua nel saturatore. Nell'impianto a compressione, invece, i gas (ammoniaca, anidride carbonica, anidride solforosa) dopo l'evaporazione vengono spinti in un compressore, poi liquefatti in un condensatore e raffreddati in un surraffreddatore. Dal surraffreddatore passano nuovamente all'evaporatore attraverso una valvola di regolazione.
Qualunque sia il tipo d'impianto frigorifero, la parte fondamentale di esso, nella fabbricazione del ghiaccio, è costituita dal cosiddetto generatore, cioè dalla vasca refrigerante, che contiene le tubazioni dell'evaporatore e nella quale avviene la congelazione dell'acqua. I generatori si distinguono a seconda del sistema di congelamento in generatori a congelazione indiretta, in cui il freddo viene trasmesso all'acqua da congelare a mezzo di una salamoia, e generatori a congelazione indiretta, in cui il ghiaccio si forma direttamente sulle tubazioni dell'evaporatore. A sua volta il sistema a congelazione indiretta si distingue in due tipi, a seconda che deve produrre ghiaccio opaco o ghiaccio semitrasparente.
Generatori a congelazione indiretta. - 1. Per ghiaccio opaco. - Un generatore di ghiaccio a congelazione indiretta per ghiaccio opaco comprende una vasca principale in cui circola la salamoia e in cui vanno immersi gli stampi di ghiaccio, un dispositivo per l'agitazione della salamoia, un vaporizzatore del fluido frigorifero, una vasca di scongelamento, i dispositivi di riempimento, sollevamento, trasporto, ribaltamento degli stampi.
La vasca principale per la salamoia, a forma rettangolare, è di legno o di ferro o di cemento armato, rivestita di materiale coibente e coperta da un tavolato munito di sportelli: entro essa avviene il processo di congelamento dell'acqua potabile contenuta negli stampi. I vaporizzatori per i piccoli generatori sono sempre del tipo a serpentina, per i grandi anche a fascio tubolare e sono collocati o in un doppio fondo esistente nella vasca o lateralmente oppure tra fila e fila di stampi; possono anche essere collocati in un'altra vasca separata in comunicazione diretta con quella contenente gli stampi. La salamoia che circonda gli stampi, pieni di acqua potabile da congelare, è tenuta in movimento continuo da opportune eliche che l'obbligano a lambire con ritmo costante dapprima le tubazioni frigorifere, poi gli stampi cui essa cede le frigorie trasmessele dalle tubazioni stesse.
Gli stampi si costruiscono con lamiera in ferro piombata, dello spessore da 1 a 1,5 mm., e hanno generalmente forma tronco-piramidale a sezione quadrata o rettangolare. Le dimensioni variano a seconda del peso del blocco di ghiaccio: i pesi più comunemente usati sono 25 e 35 kg. per l'Europa (in Italia blocchi da 25 kg.) cui corrispondono le misure dello stampo di 160 × 160 al fondo 190 × 190 alla bocca per quello da 25 kg. e 203 × 146 al fondo e 241 × 178 alla bocca per quello da 35 kg. con altezza utile di 1100 mm. e 1115 mm. rispettivamente. Vi sono altri tipi, da 5, da 10, 13 kg. ecc., e il tipo standardizzato americano da 136 kg. Gli stampi, uniti fra di loro in tante file da altrettanti telai, vengono immersi verticalmente per circa 5/6 della loro lunghezza nella salamoia. Per estrarre il ghiaccio formato, una grua ponte munita di apparecchio di sollevamento, aggancia uno dei telai portastampi, lo solleva e lo trasporta nella vasca di scongelamento contenente acqua tiepida (generalmente proveniente dal condensatore) che opera il distacco dei blocchi di ghiaccio dalle forme. Quindi la gru estrae dalla vasca di scongelamento il telaio portastampi che viene obbligato a mezzo di un semplice dispositivo a bilico a inclinarsi fino a far scivolare i blocchi di ghiaccio sopra un piano scaricatore, generalmente di legno, donde vengono subito tolti per essere caricati sui veicoli o immessi nelle ghiacciaie di riserva. Successivamente gli stampi, condotti dalla gru al cassone di riempimento, vengono in pochi secondi riempiti d'acqua e poi ricalati nel generatore nello stesso punto donde furono estratti.
Lo stesso procedimento si segue successivamente per le altre file.
2. Per ghiaccio semitrasparente. Oltre le parti descritte, un generatore per produzione di ghiaccio semitrasparente comprende un dispositivo per agitare l'acqua negli stampi così da liberarla dalle bollicine d'aria in essa contenute e dar modo alle eventuali impurità o sali di raccogliersi al centro del blocco. I dispositivi in uso per l'agitazione sono comunemente due: a bacchetta, e ad aria.
Il dispositivo per l'agitazione dell'acqua mediante bacchette (figg. 2 e 3) comprende un telaio in profilato di ferro (T) snodato e portante delle traverse (t) cui sono fissate le bacchette (b) di lamiera piombata o di legno, che pescano negli stampi, una per ogni stampo. Il telaio un po' più largo e molto meno lungo della vasca principale viene fissato a due perni (P) posti a poco più di metà della vasca ed è azionato all'estremità A (v. fig.1) da pulegge ed eccentrici (fig. 4) che gl'imprimono un moto oscillatorio orizzontale che esso trasmette alle traverse e queste alle bacchette immerse nell'acqua. L'oscillazione di queste è massima nella prima fila (appena immersa e quindi piena d'acqua) descresce man mano nelle file successive ed è opportunamente minima all'ultima traversa (a poco più di metà della vasca) ove la quasi completa formazione del ghiaccio non permetterebbe che piccole oscillazioni al centro del blocco.
Estratto il telaio portastampi, posto all'estremo Z della vasca (v. fig. 1) coi blocchi di ghiaccio già formati, un dispositivo di avanzamento sposta tutte le file di un posto lasciando libero al principio della vasca uno spazio ove viene immerso il telaio suddetto dopo che sono state compiute le operazioni di disgelo, rovesciamento dei blocchi e riempimento d'acqua. Intanto viene tolta, a mano, l'ultima traversa, con le bacchette, prima che queste rimangano prese nel ghiaccio, e viene portata sulla prima fila di stampi.
Questo sistema è il più diffuso, specialmente in Italia e in Europa, ed è il più economico; inoltre può essere perfezionato con un dispositivo mediante il quale si estrae il nocciolo del blocco di ghiaccio quando ancora è allo stato acquoso per sostituirlo con acqua distillata ottenendosi così un blocco trasparente.
Un altro sistema seguito per agitare l'acqua negli stampi consiste nell'insufflazione in essi di aria sotto pressione. Questo sistema comprende sostanzialmente un compressore d'aria, un disidratatore di questa, un filtro, le tubazioni di aspirazione e mandata, e gli organi di controllo e regolazione.
Questo sistema è particolarmente diffuso in America, essendo più adatto del precedente per blocchi di grande peso (136 kg.) e rendendo il ghiaccio quasi totalmente cristallino, senza usare acqua distillata. Con questo sistema un tempo si usava aria a bassa pressione, appena sufficiente per vincere il battente d'aqua, che sovrasta al foro di uscita del tubo immerso nell'acqua dello stampo, tubo che veniva estratto prima che questa si congelasse. In seguito si adottò il sistema di aria ad alta pressione (2-4 kg. /cmq.), sufficiente per vincere la pressione del ghiaccio in formazione, portata a 15 centimetri dal fondo mediante un tubo metallico fissato a un angolo dello stampo. Poi si passò a un sistema a media pressione (1,4 kg. /cmq.) in cui l'aria passa dal compressore (pressione 2 kg./cmq.) nel disidratatore a salamoia fredda polverizzata; attraversa quindi un filtro che ne trattiene le impurità e le goccioline di salamoia e infine viene distribuita agli stampi attraverso a un riduttore di pressione. L'aria pura, fredda e secca può attraversare il tubo che la conduce al fondo dello stampo senza dar luogo a inconvenienti, e ha una pressione più che sufficiente per attraversare il ghiaccio già formato.
Ultimamente si è tornati al sistema a bassa pressione con l'eliminazione del disidratatore e del filtro perché il tubo che porta l'aria è posto al centro dello stampo e questa quindi, non essendo a contatto con la salamoia, non ha bisogno di un'eccessiva disidratazione. L'aria viene di ritorno aspirata sopra la salamoia mediante tubi disposti intorno alla vasca e compressa direttamente nelle tubazioni di mandata che la portano agli stampi. Il tubo posto al centro del blocco presenta numerosi forellini nella metà inferiore e alcuni nella metà superiore. All'inizio l'aria esce tutta dai fori inferiori e poi man mano che il ghiaccio si forma, dai fori superiori, così che l'agitazione è assicurata per tutto il tempo della congelazione. Con questo sistema, rispetto a quello a media pressione, si risparmiano circa 1,25 HP. ogni 100 quintali di produzione giornaliera.
Altri sistemi, come quello che provvede a far oscillare l'intero stampo o quello che mantiene in continua circolazione l'acqua da congelare o infine quello che intermittentemente mette ed estrae una parte dell'acqua contenuta negli stampi, non sono suscettibili d'una buona applicazione pratica.
Salamoia. - La salamoia è un liquido che congela a una temperatura inferiore a quella di esercizio del generatore. Essa è in generale costituita da una soluzione acquosa di un sale, e ciò in base al principio che le soluzioni solidificano a temperatura inferiore a quella del solvente: i sali più adoperati per questa operazione sono il cloruro di sodio (NaCl), il clor uro di calcio (CaCl2), il cloruro di magnesio (MgCl2).
Le temperature migliori a cui deve essere mantenuta la salamoia per la produzione del ghiaccio in blocchi sono le seguenti:
Per la fabbricazione del ghiaccio basta una soluzione di cloruro di calcio a 22 gradi Beaumé o di cloruro di sodio a 20° Bé. o di cloruro di magnesio a 18° Bé., cui corrispondono temperature di congelamento, calori specifici a 15° e contenuto in grammi in un litro di soluzione, quali risultano dalla seguente tabella.
Il cloruro di calcio è preferibile, per la sua purezza, al cloruro di sodio, il quale contiene delle impurità che, intaccando le tubazioni e le altre parti metalliche del generatore, ne rendono più costosa la manutenzione. Il cloruro di magnesio è poco usato.
La durata di congelazione del ghiaccio in blocchi varia a seconda della qualità del ghiaccio, delle dimensioni dei blocchi e della temperatura della salamoia. Per blocchi di 25 kg. varia da 16 ore a 24 ore; i blocchi da 35 kg. congelano in 30 ore circa e quelli da 136 in 54 ore circa.
Congelazione diretta. - I generatori a congelazione diretta, usati specialmente in America, servono per la produzione di ghiaccio in lastroni.
Nel sistema Pusey (fig. 5) il generatore non contiene né la salamoia né gli stampi, bensì l'acqua da congelare e i serpentini frigoriferi in batterie verticali disposte trasversalmente a una distanza, l'una dall'altra, superiore al doppio dello spessore del lastrone che si vuol ottenere. Ogni batteria è racchiusa in lamiere di ferro, sulla superficie delle quali si formano lentamente i lastroni di ghiaccio fino allo spessore di 35 centimetri. L'acqua è tenuta in continua circolazione da alcune eliche provocando così la formazione di ghiaccio perfettamente cristallino. La durata della congelazione varia da 6 a 12 giorni. Appena il ghiaccio si è formato in spessore sufficiente, si fanno percorrere i serpentini da una corrente di gas caldi, provenienti dal compressore, che provocano dopo circa 3 ore il distacco dei lastroni. Questi vengono a galla e sollevati da una gru, vengono portati alle seghe.
Il sistema Smith (fig. 6) è quasi uguale nella costruzione al precedente, ma è a congelazione indiretta in quanto i serpentini sono immersi in una salamoia che fa da agente intermediario per la trasmissione delle frigorie. Quando i lastroni si sono formati si sostituisce alla salamoia fredda della salamoia calda per staccarli. Le dimensioni più usate per i lastroni sono le seguenti: lunghezza da 3 a 4 m.; larghezza da 2 a 2,5 m.; spessore da 25 a 35 cm.; peso da 30 a 40 q. La temperatura della salamoia si aggira sui −15° C.
Un altro sistema a vaporizzazione diretta è il Pluperfect (v. fig. 7) nel quale il vaporizzatore comprende gruppi di coppie di tubi verticali riunite in serie da una condotta che passa sul fondo del congelatore. I tubi, a sezione semicircolare, combaciano a due a due dalla parte piana, in modo da formare un'unica superficie cilindrica del diametro (esterno) di cm. 2,5 circa. Alla sommità un manicotto saldato li mette in comunicazione fra loro. Le coppie sono a una distanza di 40 cm. circa. Intorno a essi si formano i lastroni di ghiaccio opaco e assai fragile con un processo di congelazione molto rapido. I lastroni si distaccano facendo percorrere i tubi da fluido caldo e poi vengono sollevati dalla vasca per mezzo di ganci preventivamente disposti, e portati ai frantoi.
Questo sistema richiede forti spese d'impianto determinate dalla necessità di avere più generatori per assicurare un regolare ciclo di lavorazione, ma è assai economico come spesa di esercizio, data la rapidità del processo di congelazione dell'acqua. È usato in Inghilterra e in America specialmente per il rifornimento delle flottiglie da pesca, per le quali occorre ghiaccio opaco frantumato.
Bibl.: U. Ferretti, L'industria del freddo e le sue applicazioni, Frosinone 1924; A. Cecchi, Tecnica del freddo, Milano 1928; A. Ponzano, Le industrie del freddo, Torino 1927.