Il raffreddamento dell’industria delle materie plastiche

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Nel settore della trasformazione delle materie plastiche e della gomma, il sistema di raffreddamento è sempre stato interpretato come un male necessario, ma come tale mai ben analizzato nei suoi aspetti tecnologici.
Di seguito vorrei mettere in risalto l’importanza fondamentale che il raffreddamento riveste per la produttività, la qualità del prodotto e da ultimo ma sicuramente non meno importante per il risparmio energetico.
Le necessità: raffreddamento macchina e processo.
I processi di trasformazione delle materie plastiche sono molto diversi fra di loro, ma tutti presentano una problematica simile per il raffreddamento:

  • – il raffreddamento macchina, che comprende tutti i punti di raffreddamento che garantiscono il funzionamento continuo della macchina di produzione, trafila, pressa ad iniezione, estrusore ecc…
  • – il raffreddamento del processo, il quale comprende esclusivamente i punti di raffreddamento della sezione di termoregolazione che servono alla risolidificazione della materia plastica dopo la sua trasformazione.

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Macchina

Tutte le macchine per la trasformazione delle materie plastiche, hanno azionamenti oleodinamici. Il lavoro effettuato dalla pompa idraulica viene in parte trasferito all’olio sottoforma di calore, con il conseguente aumento della sua temperatura. Per evitare un surriscaldamento dell’olio è necessario provvedere al suo raffreddamento, mantenendolo in un range compreso fra i 40°C ed i 50°C.
Le macchine sono provviste di uno scambiatore acqua-olio dimensionato per questo scopo, completo di valvola termostatica che regola il passaggio dell’acqua di raffreddamento.
La funzione della valvola è quella di mantenere la temperatura dell’olio entro i limiti prescritti dal costruttore. Un olio “eccessivamente freddo”, provoca trafilamenti attraverso le tenute, guarnizioni, o-ring, etc…, una temperatura bassa ne compromette inoltre la durata nel tempo.
Sempre legati al raffreddamento dela macchine, ci sono altri punti che richiedono di essere raffreddati:

• camere di plastificazione
• trafile
• centraline di termoregolazione ad acqua o ad olio
• mulini

tutti richiedono un raffreddamento continuo.

Il fabbisogno complessivo di frigorie varia molto a seconda del tipo di lavorazione; un valore del 50%-90% del fabbisogno totale è una stima verosimile.

Riassumendo possiamo stabilire quanto segue:

• il raffreddamento macchina rappresenta in termini di frigorie/ora, il carico termico più importante ed impegnativo del totale sistema di raffreddamento;
• non è richiesto un controllo preciso della temperatura dell’acqua;
• il livello termico richiesto è al di sopra dei 35°C, è quindi sufficiente acqua di raffreddamento a temperatura ambiente;
• non essendo richiesta una temperatura dell’acqua di raffreddamento differenziata per ogni utenza il problema si può risolvere con una soluzione centralizzata.

La Soluzione

Acqua di pozzo o di rete: tale soluzione appartiene ormai al passato in quanto oltre a problemi legislativi, si aggiunge la scarsa disponibilità dell’acqua ed un’accresciuta sensibilità ecologica che discrimina giustamente questo genere di soluzioni di raffreddamento.

Torre evaporativa: la torre evaporativa è stata utilizzata a lungo ed viene ancora applicata, soprattutto in impianti di grandi dimensioni, con personale preparate alla sua gestione (piuttosto impegnativa in verità). In effetti, l’accumulo di calcare, la formazione di alghe, la contaminazione batterica, sono solo alcuni dei problemi da affrontare tassativamente con adeguati condizionamenti chimici ed una manutenzione attenta e costante.

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Refrigeratore o chiller: i refrigeratori industriali e le centrali frigorifere condensati ad aria rappresentano l’applicazione principale, in sostituzione delle alternative precedenti. Tuttavia, l’utilizzo dei gruppi frigoriferi costituisce un pesantissimo impegno energetico, oltre ad un irrazionale costo di gestione. Questi sistemi infatti sono costretti a lavorare, per ragioni tecniche, ad una temperatura d’acqua non superiore ai 15-20°C decisamente bassa rispetto ai 40-50°C richiesti per l’olio.
I refrigeratori industriali sono apparecchiature complesse che hanno bisogno necessariamente di interventi specializzati per la loro installazione e manutenzione. Proprio allo scopo di ridurre i consumi energetici, si sono sviluppati recentemente i sistemi free cooling retrofit ovvero di risparmio energetico invernale.

FREE COOLER TCFC: rappresentano UNA OTTIMA SCELTA tecnologica per lo scambio termico acqua-aria e la SOLUZIONE IDEALE per il raffreddamento della MACCHINA. Sono costituiti da un pacco alettato in rame-alluminio ad ampia superficie, corredati da ventilatori ad alta portata. Questi scambiatori presentano caratteristiche di prestazione ed affidabilità molto elevate e sono capaci di mantenere l’acqua a pochi gradi sopra la temperatura ambiente (mediamente 5°C, se ben dimensionati).

Free cooler

Le peculiarità di questa soluzione possono essere riassunte nei seguenti punti:

• circuito “chiuso”, eliminano i consumi d’acqua ed i problemi manutentivi della torre evaporativa.
• consumo elettrico di 1/8 rispetto al refrigeratore a compressori frigoriferi.
• semplicità ed economicità d’installazione, rispetto ai frigoriferi
• non richiedono né coibentazione dei tubi di distribuzione né canalizzazioni d’aria
• installazione all’esterno.
• completa assenza di manutenzione (salvo una pulizia programmata dei pacchi di scambio con aria compressa o acqua)
• soluzione totalmente affidabile nel tempo.

Soluzione

Caratteristica

Torre evaporativa

Refrigeratore

Industriale

Termosmaltitore

Consumo elettrico

Ridotto

Molto elevato

Ridotto

Consumo d’acqua

Elevato

Assente

Assente

Costo d’investimento

Ridotto

Elevato

Medio

Costo impiantistico

Ridotto

Molto elevato

Minimo

Manutenzione

Specializzata e permanente

Specializzata e

periodica

Assente

Processo

Il raffreddamento del processo è vincolato direttamente ed esclusivamente al processo di trasformazione della materia plastica e risulta essenzialmente diverso dal precedente.

Le condizioni di raffreddamento in qualsiasi tipo di trasformazione incidono direttamente sulla produttività ottenibile, sia in termini qualitativi che quantitativi. In particolare, la riduzione dei tempi di raffreddamento implica un aumento della produttività.
E’ fondamentale nel raffreddamento del processo la ripetibilità delle condizioni. In pratica, è inutile trovare le condizioni ottimali di raffreddamento, che consentono i vantaggi produttivi, se in seguito il sistema non è capace di mantenerle costanti e precise nel tempo.

Riassumendo possiamo affermare:

• Il raffreddamento del processo condiziona la produttività quantitativamente e qualitativamente.
• Ogni singolo processo produttivo ha le proprie esigenze ottimali di raffreddamento (temperatura, portata, pressione).
• Le condizioni ottimali di raffreddamento, devono essere mantenute costanti e precise nel tempo.

La Soluzione

Soluzione tradizionale: l’unica soluzione disponibile finora, è costituita dal refrigeratore industriale a compressori frigoriferi. Questi impianti prevedono, generalmente, un’unica centrale frigorifera, spesso a più compressori, che fornisce acqua refrigerata a tutte le utenze da raffreddare.
Questa soluzione va implementata con sistemi che permettano di gestire singolarmente le temperature nei vari punti del processo. Per ottenere questo, si può operare con dei sistemi a valvole regolatrici, in modo da avere sempre la corretta temperatura dove serve.

Un sistema del genere ha il grosso limite di avere dei consumi energetici importanti, ma c’è poco da fare se ci serve una temperatura veramente bassa.

Sicuramente negli ultimi anni ha preso piede l’implementazione anche su questi sistemi del free cooling.
Infatti analizzando bene le esigenze produttive, la zona di installazione (con i relativi dati climatici), risulta spesso molto interessante installare dei dissipatori che permettono un notevole risparmi energetico, in determinate condizioni ambientali.

Una interessante soluzione energetica, potrebbe essere quella di utilizzare un refrigeratore condensato ad acqua, utilizzando acqua proveniente da un free cooler (o una torre evaporativa), da utilizzare come free cooler durante la stagione fredda, arrestando i compressori frigoriferi.

Chiller condensato ad acqua con torri evaporative in free coolingenerg5