Congelatore per dégorgement: parte 1 - DIY strani

Stufo dei soliti schemi, dei soliti circuiti, delle solite cose... Sembra che tocchi per forza damigiane andare su siti americani per trovare realizzazioni interessanti o macchinari fuori dal comune. E bon che vivo nella patria di Da Vinci...

Ho deciso allora che proverò a staccarmi dalla monotonia realizzando qualcosa di inusuale (almeno per i non  addetti ai lavori): avendo intenzione quest'anno di spumantizzare qualche litro di verduzzo, avrò bisogno di un congelatore per colli di bottiglia: per chi non lo sapesse, una delle ultime fasi della spumantizzazione è il "dégorgement": in parole povere, consiste nell'apertura della bottiglia del futuro spumante per permettere l'espulsione delle "fecce" accumulatesi durante l'affinamento. Successivamente la bottiglia viene ricolmata e ritappata. Nella pratica moderna, per favore la corretta fuoriuscita dei sedimenti, si usa immergere il collo della bottiglia in una soluzione a circa -20°C: così facendo si espelle un "tappo" di ghiaccio contente i residui, e riducendo al contempo le perdite di spumante dovute all'elevata pressione (anche 7atm!) del vino. Qualche anno fa avevo provato ad effettuare la sboccatura senza ghiacciare i colli ed il risultato mi costrinse a ridipingere la cucina 2 ore dopo...

Sarà quindi mooolto meglio cominciare a realizzare il congelatore!

Funzionamento e caratteristiche generali

Si tratta di costruire un contenitore coibentato in cui una soluzione liquida (al momento nelle mie intenzioni, acqua distillata e cloruro di sodio, reperibili facilmente e commestibili)  verrà portata a -20°C. Il contenitore ospiterà un collo di bottiglia alla volta (per limitare l'ingombro dell'apparato). L'abbassamento di temperatura sarà ottenuto grazie all'impiego di una cella Peltier, ossia un modulo di semiconduttore che genera una differenza di temperatura quando attraversato da una corrente elettrica (qui su wikipedia per una spiegazione più dettagliata). Perché una peltier e non un gruppo frigo? Perché  è fondamentale che il congelatore costi poco e sia poco ingombrante: il prezzo di una peltier parte in media da 10€ (per potenze di 40W) e le dimensioni si aggirano su qualche cm per lato.

Uno schema di principio è qui a fianco: è il primo disegno che ho fatto per avere un'idea di come posizionare i componenti; a sinistra congelatore per colli bottigliac'è il dissipatore che smaltirà il calore prodotto dalla peltier (e quindi sottratto alla vasca coibentata). In basso a destra l'apertura che permetterà di scaricare la soluzione antigelo una volta terminato il raffreddamento dei colli. Da notare che il contenitore sarà costruito a partire da una lamiera piegata e imbullonata: ho saldato già qualcosa in vita mia ma non voglio perdermi troppo in imprecazioni per elettrodi attaccati o lamiere bucate da archi eccessivamente intensi. Inoltre non ho trovato a prezzi accettabili un contenitore di metallo a parallelepipedo ( al massimo qualche vaso cilindrico per fiori, ma la peltier è quadrata è non saprei come farla aderire). Il contenitore sarà completamente coibentato (con pannelli in polistirene) tranne che per la porzione in cui verranno fissati dissipatori e peltier; questi saranno fissati  tramite 4 viti che li congelatore per degorgementpremeranno contro il contenitore in lamiera (che fungerà quindi da superficie di scambio con la peltier e con la soluzione). Dal lato opposto alla Peltier, sarà fissato il contenitore che alloggerà i circuiti di misurazione della temperatura e di regolazione della peltier. Infine, in cima al contenitore, sarà posto un "tappo" (sempre in polistirene) con un incavo di forma opportuna, che avrà lo scopo di mantenere la bottiglia in posizione eretta e capovolta, durante il raffreddamento.

Dimensionamento di massima del congelatore

Per il corretto dimensionamento della peltier e delle coibentazioni bisogna innanzitutto scegliere il fluido da raffreddare; come già accennato, farò uso di una soluzione di acqua e NaCl, per motivi di costi, reperibilità e sicurezza. L'aggiunta di NaCl all'acqua si rende necessaria per evitare il congelamento della soluzione (di un cubo di ghiaccio non so cabbassamento crioscopicohe farmene sinceramente...). Volendo arrivare a -20°C, la soluzione sarà calcolata per un abbassamento crioscopico di -22°C (leggermente maggiorato per stare sicuri). L'abbassamento è dato da:

ΔT=K·m·i

dove K vale 1.86 per l'acqua, m (massa molare) è incognita ed i (coefficiente di Van't Hoff) vale 2 per il NaCl. Si ricava quindi 5.91mol ossia 345g/l di Nacl. Attenzione però che la solubilità a 0°C è di 358g/l , quindi la soluzione saturerà in parte, precipitando... Ciò detto avremo una densità complessiva (H2O+ NaCl di 1.185kg/dm³) ed una massa di 2.37kg. Invece come calore specifico si assumerà quello dell'acqua (il dato per la salamoia è irreperibile). Allora l'energia necessaria per l'abbassamento previsto sarà E=c·m·ΔT=198416J. Si può quindi ragionare sulla peltier. Il dato importante è la potenza massima della cella, che determinerà la velocità di raffreddamento (non la temperatura, se il sistema è ben fatto!). Purtroppo ho come vincolo anche il dissipatore (ne ho già uno pronto e non voglio spendere nulla in più...), che mi costringe a scegliere una peltier con potenza massima di 51W.  Con tale potenza il tempo di raffreddamento sarà: t=Q/P=3890s≈1h5m. In realtà meno di quanto mi aspettassi. Con una cella da 100W potrei fare tutto già in mezz'ora...
Il tempo per arrivare a regime sarà influenzato dalle dispersioni di calore attraverso le pareti coibentanti (peggiorative) ma anche dalla minor quantità di acqua presente in condizioni effettive: conto di scendere anche a 1.5L, diminuendo sensibilmente il tempo teorico.

Si può quindi passare a ragionare sullo strato coibentante; ho scelto come isolante un pannello in poliestere da 3 cm (costano un nulla): ha una conducibilità di 0.035J/mK, quindi con 30mm di spessore la poliestereresistenza termica totale (contando 5 facce, visto che quella con il dissipatore sarà isolata in altro modo) sarà 11.9m²K/W. Imponendo come salto termico 40°C (ottenuto ipotizzando una temperatura ambiente di 20°C, accettabile visto che quella effettiva sarà ancora inferiore) si avrà una perdita di  circa 3.4W. Per la faccia su cui sarà fissata la peltier, l'isolamento sarà ottenuto con una composizione di poliestere e silicone (necessario per evitare condensa intorno alla peltier, λ=0.2W/mK) ma, non avendo ancora valutato esattamente spessori e dimensioni, non mi esprimo; cercherò in ogni caso di riempire il maggior volume possibile con il poliestere, visto che il silicone ha una conducibilità termica superiore di un ordine di grandezza. Per quanto rigurada la struttura mi sembra sia stato tutto discusso; dell'elettronica di controllo me ne occuperò più avanti (ci sto ancora ragionando su). Non resta che cominciare a costruire!

Stay tuned! 😀