Teoria delle Tecnologie di Raffreddamento

Come funzionano le torri di raffreddamento a circuito aperto e chiuso, i condensatori evaporativi e i sistemi adiabatici: una rapida guida alla conoscenza delle tecnologie di raffreddamento.

 

 

Raffreddamento a circuito aperto – Teoria di funzionamento

Sfruttando un semplice principio naturale secondo il quale l’evaporazione forzata di una minima quantità d’acqua provoca un abbassamento della temperatura della massa d’acqua principale, il raffreddamento evaporativo rappresenta ancora oggi il sistema di raffreddamento più largamente utilizzato nel campo civile ed industriale.

Il limite minimo di temperatura teoricamente raggiungibile da una torre evaporativa è rappresentato dalla temperatura al bulbo umido dell’aria atmosferica misurata nella zona di installazione, che è solitamente di molto inferiore rispetto a quella del bulbo asciutto.

In realtà, per effetto di fattori di rendimento legati alla saturazione dell’aria, una torre adeguatamente dimensionata riesce a raffreddare l’acqua sino a temperature di appena 2-3°C sopra la temperatura al bulbo umido.

Su questa base molti impiantisti e costruttori di macchine dimensionano i circuiti di raffreddamento e gli scambiatori di calore, prevedendo già in origine l’utilizzo di acqua di torre e potendo quindi garantire rendimenti ottimali degli impianti e un consumo di energia ridottissimo.

Torri di raffreddamento a circuito aperto

 

 

Raffreddamento a circuito chiuso – Teoria di funzionamento

La torre a circuito chiuso, per lo smaltimento del calore, sfrutta lo stesso principio fisico della torre di raffreddamento a circuito aperto: l’evaporazione forzata di una minima quantità d’acqua provoca un abbassamento della temperatura della massa d’acqua principale.

Il fluido da raffreddare è introdotto nel collettore superiore di una batteria di tubi sulla quale viene spruzzata continuamente acqua ricircolata dal piccolo circuito di raffreddamento evaporativo, premontato sull’apparecchio.

L’evaporazione di una parte dell’acqua in ricircolo asporta il calore da smaltire tramite la superficie di scambio della batteria. La resa di una torre a circuito chiuso dipende dalla temperatura ambiente a bulbo umido.

Raffreddatori a circuito chiuso e ibridi

 

Condensatori evaporativi – Teoria di funzionamento

Il condensatore evaporativo è un tipo particolare di condensatore di refrigerante che sfrutta lo stesso tipo di smaltimento di calore che avviene nella torre di raffreddamento.

Il refrigerante (alo-idrocarburo o ammoniaca) da condensare, è introdotto nel collettore superiore di una batteria di tubi. Come per le torri di raffreddamento a circuito chiuso, sulla batteria viene spruzzata continuamente acqua ricircolata dal piccolo circuito di raffreddamento evaporativo, premontato sull’apparecchio.

L’evaporazione di una parte dell’acqua in ricircolo asporta il calore da smaltire tramite la superficie di  scambio della batteria. La resa di un condensatore evaporativo dipende, come al solito per un’unità evaporativa, dalla temperatura ambiente a bulbo umido.

Condensatori evaporativi

 

 

 

Raffreddatori & condensatori adiabatici – Teoria di funzionamento

Il raffreddatore adiabatico MITA sfrutta il fenomeno del raffreddamento adiabatico per migliorare l’efficienza della batteria alettata utilizzata per raffreddare miscele di acqua e glicole o per condensare gas frigoriferi.

Il fenomeno termodinamico definito “raffreddamento adiabatico” consiste nell’abbassamento della temperatura dell’aria mediante la sua umidificazione.

La temperatura raggiungibile è detta “temperatura di saturazione adiabatica” e, in funzione dell’efficienza del sistema di umidificazione utilizzato, può essere di diversi gradi centigradi inferiore rispetto alla temperatura dell’aria “secca”.

MITA ha sviluppato un sistema di raffreddamento dell’aria che permette di sfruttare al massimo le caratteristiche dei ventilatori in termini di portata, unitamente ad un altissima efficienza di umidificazione.

Raffreddatori & condensatori adiabatici – Gas cooler adiabatici – Sottoraffreddatori adiabatici

Glossario delle Tecnologie di Raffreddamento

Soluzioni tecniche, componenti e accessori, nozioni fisiche: la terminologia della teoria evaporativa e adiabatica dalla A alla Z.

 

A – E : Aria ambiente – Eliminatore di Gocce

 

Aria ambiente. E’ l’aria immessa nel raffreddatore prelevata dall’ambiente e utilizzata per il funzionamento termodinamico dell’apparecchio.

Avvicinamento o Approach. Differenza tra la temperatura dell’acqua raffreddata e la temperatura al bulbo umido dell’aria ambiente.

Bacino o vasca di raccolta. Bacino sottoposto alla torre per raccogliere dell’acqua raffreddata l’acqua raffreddata.

Carico termico o Potenza termica. Quantità di calore sottratto al liquido che fluisce nella torre e smaltita nell’aria.

Circuito aperto. Vedere “Torre di raffreddamento a circuito aperto”.

Circuito chiuso. Vedere “Torre di raffreddamento a circuito chiuso”.

Collettore di distribuzione. Sistema di tubi o di canali che distribuiscono l’acqua calda sul materiale di riempimento.

Comando. Dispositivo di controllo e avviamento del moto di pompe o ventilatori o altre apparecchiature elettriche.

Componenti principali della torre di raffreddamento. 

• Corpo
• Sistema di distribuzione dell’acqua all’interno della torre
• Corpo scambiatore o riempimento formato in modo da produrre il contatto tra acqua e aria
• Uno o più ventilatori per produrre la corrente d’aria con caratteristiche richieste (portata e pressione)
• Vasca di raccolta dell’acqua raffreddata
• Separatore di gocce per evitare eccessive perdite d’acqua per trascinamento nella corrente d’aria
• Accessori: raccordi, valvole, manometri, rubinetti a galleggiante, finestre d’ispezione, termometri, termostati, riscaldatori elettrici, convogliatori d’aria, grate sulle bocche di aspirazione, filtri dell’acqua e dell’aria, ecc.

Concentrazione. Quantità di elementi solidi o liquidi estranei all’acqua trattata e in essa contenuti.

Eliminatore di gocce: vd “Separa-gocce”.

 

 

F – P : Incrostazione – Prevalenza

 

 

Incrostazione. Depositi normalmente dovuti ai sali minerali, o ad altri corpi solidi presenti nell’acqua, in casi in cui non sia stato previsto un adeguato trattamento dell’acqua.

Louvers. Alette o lastre montate sulla parete o sulle bocche della torre per dirigere l’aria.

Pacco di riempimento o Pacco di scambio termico. Complesso di fogli di materiale plastico o grigliati che suddividono l’acqua nella torre e attivano il contatto tra i fluidi e quindi il processo di raffreddamento. Compiti del riempimento sono: suddividere i flussi di aria e di acqua nel modo più uniforme e mirato possibile, così da consentirne il contatto più esteso tra i fluidi; e rallentare la caduta dell’acqua onde permettere un tempo di permanenza dell’acqua nella torre sufficiente a buon raffreddamento. Sono due i tipi principali di riempimento, definiti dal modo con cui essi producono una grande superficie di contatto tra acqua e aria: riempimenti a rottura (splash); a pellicola (film).

• Pacco di riempimento a spruzzo (o a rottura, o splash). Questo tipo di riempimento è formato con grate o barre disposte in piani orizzontali sopra cui l’acqua cade, rompendosi in numerose goccioline. Queste, ricadendo da un piano all’altro si suddividono ulteriormente. Le grate o le basse sono poste in modo da interrompere continuamente la caduta delle gocce d’acqua.
• Pacco di riempimento a pellicola (a superficie estesa, o a film). Questo tipo di riempimento distribuisce l’acqua su una grande superficie suddividendola in sottili pellicole o gocce disperse. Il riempimento a pellicola può essere costituito da pacchi cellulari o da grigliati.

Pacco di scambio termico. Vedere “Pacco di riempimento”.

Pennacchio (o nebbia). Nube o colonna prodotta dal vapore contenuto nell’aria uscente dalla torre che condensa a contatto con l’aria ambiente più fredda.

Portata. Vedere voci successive.

• Portata d’acqua entrante. Quantità d’acqua calda o altro liquido che entra nel circuito di raffreddamento.
• Portata d’aria. E’ la quantità totale di aria, compreso il vapore acqueo disciolto, che fluisce nella torre.
• Potenza assorbita dal motore del ventilatore. Potenza misurata all’asse di comando del ventilatore escluse le sole perdite del motore.

Potenza assorbita dal motore del ventilatore. Potenza misurata all’asse di comando del ventilatore escluse le sole perdite del motore.

Prevalenza. Vedere voci successive.

• Prevalenza idraulica della torre. Pressione richiesta per distribuire l’acqua da raffreddare attraverso l’apposito circuito, alla bocca di entrata dell’acqua nella torre. Si misura in m di colonna d’acqua.
• Prevalenza del ventilatore. Pressione che il ventilatore deve produrre per assicurare il passaggio attraverso la torre della massa d’aria occorrente per il processo.

 

R – S : Raffreddamento – Spurgo

 

 

Raffreddamento. Processo con il quale si modifica, abbassandola, la temperatura di un gas, un liquido o un solido. Nel caso del liquido, il raffreddamento può avvenire per scambio in prevalenza latente utilizzando un sistema evaporativo, oppure per scambio sensibile mediante contatto tra due elementi a temperatura differente come avviene ad esempio nel raffreddamento ad aria.

Raffreddamento adiabatico. Diminuzione della temperatura dell’aria mediante incremento forzato della sua umidità relativa, ma senza scambio di calore (isoentalpico).

Raffreddatore adiabatico. Dispositivo che utilizza il raffreddamento adiabatico dell’aria per aumentare l’efficienza di scambio sensibile negli scambiatori di calore a batterie alettate.

Raffreddatore di liquido ad aria. Scambiatore di calore solitamente costituito da una batteria di tubi in rame a contatto con alette in alluminio, dove queste ultime   hanno lo scopo di aumentare la superficie di contatto con l’aria.

Raffreddamento evaporativo. Sottrazione di calore da un fluido, generalmente acqua, mediante evaporazione di una piccola parte del fluido medesimo (scambio latente).

Raffreddatore evaporativo. Dispositivo che realizza il raffreddamento evaporativo in modo forzato ed efficiente, ottimizzando lo scambio latente del fluido da raffreddare con l’aria.

Raffreddatore ibrido. Dispositivo che, in unica soluzione, ha una funzione di raffreddamento evaporativa ed una funzione ad aria. La prima viene utilizzata nel periodo estivo, la seconda nelle stagioni intermedie e nel periodo invernale.

Reintegro (acqua di). Acqua aggiunta al circuito per compensare le fuoriuscite di liquido dal circuito stesso per evaporazione, spruzzamento, trascinamento, spurgo e perdite varie.

Ricircolazione o Ricircolo. Porzione dell’aria uscente che deviata rientra nuovamente nella torre dalle bocche di entrata aria.

Riempimento. Vedi “Pacco di riempimento”.

Rumore ambiente o Rumore di fondo. E’ il livello di rumore dovuto a qualsiasi sorgente esterna alla torre.

Salto termico dell’acqua o Intervallo di raffreddamento. Differenza tra la temperatura dell’acqua calda e quella o salto termico dell’acqua raffreddata.

Scambiatore di calore. Vedi “Materiale di riempimento”.

Separa-gocce o Eliminatore di gocce. Sistema di setti o alette poste all’interno della torre e destinate quantità di goccioline d’acqua trascinate a ridurre la dall’aria uscente.

Sistema di distribuzione. Per ottenere la massima resa dalla torre di raffreddamento, l’acqua che entra nella torre deve essere suddivisa in gocce e distribuita uniformemente sul riempimento.

• Distribuzione a spruzzamento con ugelli. Questo tipo di distribuzione usa ugelli spruzzatori per centrifugazione o urto (qualche volta viene indicato come “sistema pressurizzazione”).
• Canale a fori e piattelli. Questo tipo di distribuzione comprende canali aperti, in legno con boccagli di plastica o ceramica fissati sul fondo sotto quali dei piattelli interrompono e spezzano la vena d’acqua.
• Canale a stramazzo. Questo tipo di distribuzione comprende un canale di distribuzione principale e una rete di canali a stramazzo o tracimazione. I canali hanno i bordi laterali seghettati per la fuoriuscita distribuita dell’acqua.

Sistema di raffreddamento ad acqua. Sistema o circuito che sfrutta l’acqua come fluido per asportare calore, in genere da un altro fluido o direttamente da un processo produttivo. Lo scambio termico può avvenire in modo indiretto (in circuito chiuso tramite scambiatore a fascio tubiero o a piastre), oppure in modo diretto mediante una torre evaporativa  

Sistema di raffreddamento ad aria. Sistema che sfrutta l’aria come fluido per asportare calore, in genere mediante una batteria di tubi alettati.

Spruzzamento. Acqua spruzzata fuori dalle aperture di ingresso dell’aria (perdite).

Spurgo. Acqua scaricata dal circuito per controllare la concentrazione dei sali o di altre impurità nel liquido in circolazione.

 

T – Z : Tecnologie di Raffreddamento – Vasca di Distribuzione

 

Tecnologie di raffreddamento: metodi diversi, basati su principi funzionali differenti, per asportare calore derivante da processi produttivi di vario genere. La scelta della migliore tecnologia deve essere effettuata in base alla reale esigenza dell’utilizzatore ed alle condizioni ambientali del luogo di installazione.

Temperatura al bulbo umido (dell’aria ambiente da utilizzare per il progetto). Temperatura al bulbo umido media dell’aria all’ingresso della torre, incluso ogni effetto di ricircolo dell’aria. E’ un concetto essenziale per il funzionamento.

Torre di raffreddamento. Scambiatore di calore: la fase liquida cede energia alla fase gassosa, si riduce così la propria temperatura. “Nella grande maggioranza dei casi la fase gassosa è costituita da aria o vapore d’acqua e la fase liquida da acqua di vario tipo”. (Fonte: Wikipedia).

• Torre di raffreddamento assemblata in fabbrica: di taglia piccola e media, viene assemblata totalmente in fabbrica in 2 – 3 sezioni principali con dimensioni compatibili per il trasporto su strada o via mare. Tempi di assemblaggio nulli o di pochi giorni per gli impianti modulari.
• Torre di raffreddamento a correnti incrociate. Torri nelle quali l’acqua si muove verticalmente dall’alto al basso, mentre il moto dell’aria quando incontra la corrente d’acqua è orizzontale.
• Torre di raffreddamento controcorrente. In un design di questo tipo, “il flusso d’aria è direttamente opposto al flusso d’acqua. Il flusso d’aria entra per la prima volta in un’area aperta al di sotto del materiale di riempimento e viene quindi estratto verticalmente. L’acqua viene spruzzata attraverso ugelli pressurizzati vicino alla sommità della torre e quindi scorre verso il basso attraverso il riempimento, opposto al flusso d’aria” (fonte: Wikipedia).
• Torre di raffreddamento a circuito aperto. Sistema evaporativo che raffredda acqua mediante lo scambio diretto con l’aria.
• Torre di raffreddamento a circuito chiuso. Torre nella quale il fluido di processo che viene raffreddato (spesso non acqua, bensì un fluido frigorigeno) non viene a contatto con l’acqua di raffreddamento. Questa è distribuita sulla superficie esterna di fascio tubiero o di piastre concatenate e circola tra vasca e distributore.
• Torre di raffreddamento a tiraggio meccanico. Apparecchio nel quale l’acqua viene raffreddata per parziale evaporazione mediante il contatto con una corrente d’aria sospinta meccanicamente.
• Torre di raffreddamento centrifuga: dispositivo che utilizza un ventilatore di tipo centrifugo per la movimentazione dell’aria necessaria a realizzare l’evaporazione forzata. Generalmente preferita quando sussistono problematiche di rumore, necessità di canalizzazione dell’aria o di installare silenziatori fonoassorbenti.
• Torre di raffreddamento montata in campo (o field-erected): generalmente di grandi dimensioni, viene trasportata completamente smontata ed assemblata direttamente sul luogo di installazione, allo scopo di ridurre i costi di trasporto. Tempi di assemblaggio indicativamente variabili tra i 20 ed i 60 gg.

Trascinamento. Goccioline trascinate fuori dalla torre dal flusso d’aria.

Trattamento acqua. L’acqua in circolazione in una torre di raffreddamento, senza un’adeguata gestione e trattamento chimico, porterebbe in breve tempo a causare fenomeni negativi sull’impianto di raffreddamento e ad un calo della resa di scambio, sia sulla torre che sull’intero circuito.

Ugello. Dispositivo attraverso cui il flusso di liquido viene spruzzato sul materiale di riempimento.

Umidificatore adiabatico: dispositivo che permette di aumentare l’umidità relativa dell’aria allo scopo abbassarne la temperatura.

Vasca di distribuzione. Vasca forata posta sopra il riempimento per distribuir su di esso l’acqua calda (nelle torri a correnti incrociate).