Alcuni processi hanno assoluta necessità di sistemi di raffreddamento dedicati, per poter ottenere velocità di produzione e costanza di risultati.

Nello specifico, alcuni processi produttivi, hanno la necessità di avere diversi livelli di temperatura per le differenti “sezioni di lavorazione”, interessate al ciclo produttivo completo.

Per poter ottenere questi risultati, esistono sistemi integrati estremamente flessibili, configurati come segue:

• produzione di acqua refrigerata —> chiller
• accumulo di acqua refrigerata —> serbatoio di stoccaggio coibentato
• distribuzione acqua alle utenze a diverse temperature —> sistemi di regolazione composti da scambiatore a piastre e valvola modulante con regolatori elettronici
• produzione di acqua calda —> centralina di termoregolazione

questi sistemi se ben progettati ed integrati, permettono una gestione efficace ed ottimale del processo industriale.

A livello di controllo della temperatura, i vari termoregolatori elettronici, possono essere realizzati con configurazione ed impostazione del set point e dei parametri, da remoto tramite PLC.

Ovviamente il tipo di raffreddamento e di impianto sarà sostanzialmente differente, anche se alla base di tutto ci sarà un chiller o refrigeratore supportato da sistemi di free cooling o torri evaporative.

Nello specifico abbiamo appena consegnato un impianto di potenzialità interessante, condensato ad acqua, progettato per produrre soluzione glicolata ad una temperatura vicina a 0°C, e distribuirla alle diverse utenze, secondo diversi livelli di temperatura, in funzione dei differenti punti nei quali viene utilizzato il raffreddamento.

Tutto l’insieme, prevede anche delle sezioni riscaldate elettricamente o a vapore, a seconda che si tratti di avviamento impianto o produzione.

La gestione del sistema è affidata ad un plc installato a cura del cliente di Tempco, mentre i livelli di temperatura, vengono impostati tramite termoregolatori elettronici, interfacciabili con il plc per una gestione remota. I termoregolatori pilotano delle valvole a tre vie, che tramite scambiatori di calore a piastre rendono all’utilizzo la soluzione incongelabile alla temperatura voluta per il singolo momento del processo produttivo.

Le due sezioni di riscaldamento, vengono anch’esse pilotate del plc, in funzione della ricetta di produzione. Una sezione di riscaldamento a vapore, serve per il preriscaldamento del sistema all’avviamento, in modo da preparare le miscele di prodotto alla temperatura ideale per le differenti produzioni:

• pastigliatura
• scagliettatura

Il gruppo frigorifero è stato realizzato con ridondanza a doppio circuito, in modo da avere la garanzia di funzionamento, anche in caso di manutenzione programmata o fermata imprevista.

La scelta di utilizzare un chiller condensato ad acqua è occorsa in quanto il cliente ha abbondante disponibilità di acqua di torre in stabilimento, nell’ottica futura di poter implementare un sistema di free cooling retro-fit, una volta avviato l’impianto produttivo e stimati correttamente i carichi termici dei vari processi produttivi.

Si tratta di un impianto molto elastico e flessibile, dove si può lavorare con un range di potenza frigorifera dal 25% al 100%, disponendo di acqua gelida da 0°C fino a 25°C, oppure riscaldare a vapore, ottenendo acqua a 90°C.

• scambiatori di calore a piastre
• scambiatori di calore immersi
• torri evaporative

Nel calcolo delle potenzialità della centrale occorrerà sommare:
- la potenzialità della batteria di raffreddamento e deumidificazione;
- il carico sensibile ambiente massimo contemporaneo;

-detrarre il calore asportato dall’aria primaria a temperatura inferiore a quella ambiente.
Un incremento sensibile di potenza fa crescere costi di acquisto, di installazione e di gestione, visto che i rendimenti si abbassano al diminuire del carico. Un’eventuale sottostima, della potenzialità non comporta, peraltro, gravi conseguenze, visto che il carico massimo si verifica per poche ore nei giorni di maggior carico, durante i quali un incremento della temperatura dell’acqua refrigerata può essere senz’altro accettata.
Un discorso diverso va, invece, fatto quando si affrontano problemi nell’industria o nel settore commerciale.

Nelle installazioni di condizionamento le centrali frigorifere sono costituite da gruppi refrigeratori d’acqua preassemblati  e possono avere compressori alternativi, a spirale orbitante (scroll), a vite, centrifughi o funzionanti sul principio dell’assorbimento.
Nella tabella si riportano i campi di impiego (in termini di potenzialità frigorifera) delle macchine in produzione.

Considerate che la tabella sopra riportata ha un valore indicativo, in quanto la gamma dei compressori sul mercato è in continua evoluzione, come è giusto che sia.

Per macchine condensate ad aria o applicazioni con alta pressione, da 280 a circa 700 kW, gli alternativi e i vite sono più frequentemente impiegati che non i centrifughi.

1 dati di funzionamento più comunemente utilizzati sono:
- temperatura dell’acqua refrigerata in uscita: 6 ÷ 7 °C;
- temperatura dell’acqua refrigerata in ingresso: 11 ÷ 12 °C.
Se il raffreddamento dei condensatori è fatto con acqua di torre, qualora la temperatura al bulbo umido sia di 24,5 °C, le condizioni di riferimento per il calcolo della condensazione e per la scelta della torre saranno:
- temperatura in ingresso al condensatore: 29 ÷ 30 °C;
- temperatura in uscita dal condensatore: 34 ÷35 °C.
Nota la potenzialità massima che la centrale frigorifera deve avere, bisogna definire il tipo e il numero di gruppi refrigeratori da installare.
La scelta, non facile, scaturisce dall’esame di alcune esigenze fondamentali:
- costo dell’investimento;
- sicurezza e affidabilità;
- ingombro.
Sempre più spesso è il costo che determina la scelta e il numero di macchine: nei piccoli e medi impianti, perciò, la tendenza è quella di installare un solo gruppo refrigeratore con più circuiti frigoriferi indipendenti; si riesce così ad avere il vantaggio di un costo contenuto, l’ingombro è anch’esso limitato a una sola macchina ed è assicurata la sicurezza di funzionamento, anche se con potenzialità ridotta nel caso di fuori servizio di un compressore o di qualche altro elemento del circuito.
Per grandi potenzialità si ricorre a più macchine in parallelo.

Nota la portata e calcolate le perdite di carico del circuito (evaporatore del gruppo frigorifero, batterie, valvole, ecc.) si potrà scegliere la pompa di circolazione.

Uno schema semplificato di centrale frigorifera è quello della figura sottostante.

Schema semplificato per centrale frigorifera.

Per piccoli e medi impianti un possibile schema è quello della figura, in cui due gruppi refrigeratori in parallelo alimentano le utenze regolate con valvole a tre vie; si tratta di un circuito praticamente a portata costante.

Gruppi frigoriferi in parallelo e utenze regolate con valvole a tre vie.

Con questa configurazione, quando il carico frigorifero richiesto si riduce a metà, anche la differenza di temperature fra mandata e ritorno si dimezza e, quindi, se un frigorifero viene fermato, ma rimane inserito nel circuito, l’acqua di ritorno che lo attraversa si miscela con quella raffreddata da quello operativo, per cui la temperatura dell’acqua inviata alle utenze si innalza e può non essere tale, per esempio, da consentire la deumidificazione dell’aria.
Nelle centrali frigorifere di grande potenzialità è necessario e opportuno prevedere due o più gruppi refrigeratori d’acqua, connessi in parallelo o in serie.

Questo sistema garantisce flessibilità, una riserva intrinseca e buona possibilità di manutenzione, visto che è possibile effettuarla periodicamente, senza interrompere il funzionamento della centrale. La tipologia delle macchine deve essere scelta in correlazione con i carichi termici e la loro variabilità, nel senso che le potenzialità dei gruppi devono essere tali da poter garantire il carico base e i carichi di punta, con macchine sempre funzionanti pressoché a pieno carico, così da ottimizzare la gestione. La portata d’acqua attraverso i refrigeratori dovrebbe essere costante, così da avere stabilità di funzionamento. Le variazioni di carico sono correlate alle modificazioni della temperatura e sono, quindi, facilmente controllate; ciò non è, invece, possibile se la portata varia.
In molti impianti è, peraltro, utile e spesso impiegato un sistema a portata variabile nelle utenze: batterie di raffreddamento, circuiti a spillamento ecc.
In questi casi viene realizzato un impianto nel quale il sistema di produzione è separato da quello di utilizzazione, in tal modo la portata nel circuito primario (di produzione) è costante, mentre è variabile la portata nel circuito utilizzatore.
Tale tipologia è raffigurata nella figura, dove si vede che fra il primario e il secondario è inserita una tubazione di by-pass, nella quale l’acqua può circolare in un senso o in quello opposto a seconda della quantità di acqua utilizzata nel circuito secondario.

]]> http://www.tempcoblog.it/1731/la-centrale-frigorifera-negli-impianti-di-condizionamento-1/feed/ 4 chiller per impieghi industriali 32.4 32.22 32.23 32.24jpg http://www.tempcoblog.it/956/il-condensatore-evaporativo/ http://www.tempcoblog.it/956/il-condensatore-evaporativo/#comments Tue, 29 Jun 2010 13:36:44 +0000 S. Pellucchi http://www.tempcoblog.it/?p=956 La condensazione in un ciclo frigorifero è una fase delicata e la sua modalità di realizzazione è essenziale per l’ottimale funzionamento di un impianto di refrigerazione.
Le problematiche della condensazione in aria sono legate alla temperatura dell’aria stessa, che influisce in maniera determinante sulla pressione di condensazione. Negli impianti di refrigerazione industriale o civile, che lavorano nei periodi caldi, questo è un problema molto rilevante. L’utilizzo dell’aria come fluido di raffreddamento del condensatore richiede la periodica manutenzione della batteria di scambio: l’efficienza energetica ottenibile dipende fortemente da questo fattore.

Le principali problematiche della condensazione ad aria possono venire risolte mediante l’utilizzo di scambiatori ad acqua. La temperatura di condensazione rimane stabile in tutto l’anno, non dipende dalle escursioni termiche stagionali, può sfruttare la maggiore capacità termica di scambio dell’acqua rispetto l’aria.

I problemi di sporcamento del condensatore sono ascrivibili prevalentemente alle proprietà chimico-fisiche dell’acqua di raffreddamento. Tuttavia anche con l’acqua esiste un problema piuttosto importante, connesso alla sua disponibilià non illimitata ed in certi casi contingentata.

Questo specialmente per i grossi impianti di raffreddamento con chiller, che richiedono portate d’acqua di raffreddamento considerevoli. In alcuni casi esiste il divieto di utilizzare acqua di acquedotto per gli impianti di condizionamento. Comunque, anche nel caso di acqua di pozzo o di fiume, la cui disponibilità in linea teorica, risulta essere illimitata, sussistono problemi di  approvvigionamento nel caso in cui l’acqua risulti a perdere e sia necessaria per il funzionamento di impianti di grande potenza frigorifera.

E’ necessario tenere presente che il bisogno di acqua si realizza prevalentemente nel periodo estivo, quando la siccità può farsi sentire in alcune zone.

Uno dei modi per ovviare, almeno in parte, a tale problematica è quello di utilizzare per gli impianti di condizionamento dei condensatori evaporativi, che permettono un risparmio in termini di consumo d’acqua.

Come funziona il condensatore evaporativo

Il condensatore evaporativo è in pratica una torre evaporativa più sofisticata.

Nella batteria di scambio scorre il refrigerante da condensare.

Il serpentino è costituito da un fascio di tubi lisci che in entrata contengono il gas mentre all’uscita contengono il refrigerante condensato. Una serie di ugelli provvede a spruzzare dell’acqua sul condensatore, in modo da mantenerlo costantemente bagnato. Il calore del desurriscaldamento e della condensazione del gas vengono acquistati dall’acqua per evaporare (mediamente 1 kg di acqua assorbe 600 Kcal).

Una parte dell’acqua spruzzata non acquista una quantità di calore sufficiente per evaporare e quindi ricade sul fondo di una bacinella da dove, mediante una pompa, viene reindirizzata agli ugelli per essere nuovamente utilizzata. L’intero processo viene agevolato mediante l’insufflazione di aria in controcorrente rispetto alla caduta dell’acqua.

ALcune goccioline di acqu vengono trascinate. Per evitare una eccessiva dispersione di acqua, prima che l’aria sia espulsa viene fatta fluire attraverso un separatore di gocce. Con tale soluzione si integrano i processi di raffreddamento della batteria propri della condensazione in aria e della condensazione in acqua.
Con tale soluzione, la quantità di calore che è possibile sottrarre al condensatore viene a dipendere dalla temperatura a bulbo umido dell’aria. Nelle zone in cui essa è elevata, la potenza di raffreddamento viene penalizzata e risulta giocoforza necessario accettare temperature di condensazione più elevate.

]]> http://www.tempcoblog.it/956/il-condensatore-evaporativo/feed/ 2 Condensatori evaporativi Condensatori evaporativi http://www.tempcoblog.it/1938/termoregolazione-e-farmaceutica/ http://www.tempcoblog.it/1938/termoregolazione-e-farmaceutica/#comments Thu, 26 Nov 2009 08:37:01 +0000 Valter Biolchi http://www.tempcoblog.it/?p=1938 Proprio oggi sono andato a collaudare un piccolo impianto di termoregolazione per un impianto da laboratorio farmaceutico.

In sostanza si trattava di termoregolare con un buon grado di precisione (+/- 1°C) un piccolo mescolatore sottovuoto, a servizio di un impianto farmaceutico da laboratorio.

Non avendo il cliente fluidi di servizio, abbiamo fornito una centralina di termoregolazione, con riscaldamento elettrico, fornita di sistema di raffreddamento con scambiatore di calore a piastre saldobrasato, abbinata ad un gruppo frigorifero condensato ad aria.

Il tutto completamente autonomo e senza consumo di acqua. La centralina di termoregolazione ha un circuito pressurizzato, che alimenta in circuito chiuso il piccolo mescolatore. Il circuito della centralina/mescolatore, viene caricato automaticamente e messo in pressione dal gruppo frigorifero, che viene riempito con acqua di rete (o con soluzione antigelo nel caso di temperature negative).

In questo modo, con un unico carcamento (dal chiller), si riempie automaticamente tutto l’impianto.

La centralina tramite un termoregolatore ad azione PID, mantiene la temperatura di set point impostata, utilizzando le resistenze elettriche per la fase di riscaldamento.

Per mantenere poi la regolazione di temperatura, il termoregolatore elettronico, attiva alternativamente resistenze ad elettrovalvola di raffreddamento, per contenere le oscillazioni di temperatura entro la banda proporzionale impostata, ottimizzandone il funzionamento tramite l’autotuning preimpostato.

Il chiller mantiene la vasca di acqua alla temperatura impostata sul set point del termostato di regolazione.

Quando tutto l’impianto deve essere raffreddato, si modifica il set point della centralina, che spegne le resistenze di riscaldamento, mantiene aperta l’elettrovalvola di raffreddamento, adducendo acqua refrigerata allo scambiatore, andando a raffreddare tutto il sistema.

Si tratta di un piccolo impianto monofluido autonomo, con un range di temperatura che va da +8°C (con soluzione incongelabile si può scendere anche a valori negativi di temperatura), fino a +140°C.

A commento posso aggiungere, che i collegamenti erano già stati effettuati, in 10 minuti abbiamo riempito il circuito, ed in altri 10 minuti abbiamo avviato il tutto, a conferma che questa tipologia di apparecchiature non necessita di una assistenza all’avviamento.

Questi sistemi offrono tali vantaggi che risulta interessante prenderne in considerazione l’utilizzo o comunque l’implementazione, anche su impianti già esistenti.

Proprio nelle scorse settimane abbiamo portato a termine l’installazione di un sistema di free cooling intelligente e spinto, come retrofit su un impianto di raffreddamento asservito ad un impianto chimico farmaceutico, deve erano installati dei chiller condensati ad aria Corema.

La centrale frigorifera era composta da una serie di unità Pack Chiller collegate in parallelo, per una potenzialità complessiva di circa 800 KW termici, allo scopo di fornire al processo acqua refrigerata a 15°C.

Una rapida valutazione ha portato all’installazione di un gruppo di dry cooler, che lavoreranno in parallelo ai chiller nella media stagione, nelle ore più fresche della giornata, funzionando poi a pieno regime nella stagione fredda, consentendo di tenere fermi i compressori frigoriferi (per un totale di circa 240 KW elettrici).

Nell’installazione abbiamo tenuto invariata la linea di distribuzione e stoccaggio dell’acqua refrigerata, inserendo delle valvole deviatrici/miscelatrici ed un sistema a plc per la gestione del free cooling.

L’aria compressa viene “prodotta” da compressori che possono avere taglie e dimensioni molto differenti, si passa dal semplice compressorino per l’officina, a centrali di compressione molto potenti e complesse.

In ogni caso queste macchine necessitano di un sistema di raffreddamento dedicato, che sulle macchine più piccole è insstallato direttamente a bordo del compressore stesso (o addirittura il compressore stesso si autoraffredda con l’aria ambiente circostante), mentre sugli impianti di maggiori dimensioni si tratta di un impianto dedicato, che fornisce acqua raffreddata, che viene poi fatta circolare nei compressori stessi.

Il livello di freddo richiesto dai compressori per aria, non è mai troppo spinto, solitamente infatti le temperature richieste per l’acqua di raffreddamento si aggirano solitamente attorno ai +30 / +40°C.

Questo tipo di raffreddamento può quindi essere effettuato con l’utilizzo di:

• torri evaporative
• raffreddatori evaporativi a circuito chiuso
• dissipatori (dry cooler)

La scelta di un sistema o di un altro, è legata ad alcuni fattori determinanti:

• presenza  a bordo del compressore di scambiatori di interfaccia
• condizioni climatiche della zona di installazione

Infatti a seconda che il compressore sia fornito o meno di scambiatori a bordo, il raffreddamento potrà essere realizzato con una torre o con un raffreddatore a crcuito chiuso, questo perchè far circolare l’acqua di torre direttamente nelle camicie del compressore, con il rischio di sporcamento ed intasamento delle stesse, potrebbe causare dei danni irreparabili al compressore stesso e comunque comportare dei costi di manutenzione molto elevati.

Va ricordato che nonostante i compressori non richiedano acqua di raffreddamento a temperature molto basse, raggiungono nelle “zone calde” temperature elevate. Le temperature di parete elevate, provocano una precipitazione di carbonati, che utilizzando acqua non trattata o incrostante, causa un intasamento repentino delle camere di circolazione dell’acqua stessa.

Con temperature ambientali che ne consentano l’utilizzo, è sicuramente consigliato installare dei dry-cooler o dissipatori, in modo da avere un circuito chiuso senza contaminazioni dell’acqua.

Il contenuto efficace di acqua dell’impianto si può calcolare supponendo che l’aumento della temperatura dell’acqua dalla condizione di ritorno a quella finale (per esempio 12-7=5 °C) si ottenga nel tempo di cinque minuti si potrà scrivere:

Dove:
Q_f = potenza del gruppo (o dei gruppi frigoriferi) (kW)
V= contenuto efficace (m³)
Ρ= massa volumica dell’acqua (kg/m³)
c_p= calore specifico dell’acqua [kJ/(kg K)]
Δt= variazione di temperatura (K)

Si ricava quindi:
V= 300 q_f

dove q_f è la portata di acqua refrigerata (m³/s) nel circuito.
Questa relazione era valida per gruppi refrigeratori con regolazione elettrico-meccanica; con regolazione con microprocessori il calcolo deve tener conto delle parzializzazioni e del differenziale. Per un approfondimento si rinvia alla bibliografia (M.Vio).

Comunque nella tabella sottostante si riportano i valori minimi e ottimali del volume totale che deve avere l’impianto, calcolati con le espressioni:

dove i simboli hanno lo stesso significato prima riportato.

Il contenuto d’acqua risulta minore di quello calcolabile con l’espressione
V= 300 q_f.
Noto questo volume occorre calcolare il contenuto d’acqua dell’impianto e se questo non è sufficiente bisogna prevedere e installare un serbatoio inerziale di capacità complementare.  Si è a lungo discusso sull’opportunità di inserirlo nel circuito quale collettore disgiuntore o in serie sulla mandata o sul ritorno, ma la cosa è pressoché indifferente.

Serbatoio inerziale inserito nel circuito quale serbatoio disgiuntore

Disposizione del serbatoio inerziale: a) sulla mandata; b) sul ritorno.

Come negli impianti di riscaldamento, anche nelle centrali frigorifere devono essere installati vasi di espansione per consentire la dilatazione termica dell’acqua contenuta nei circuiti, al variare della temperatura.
Dei vasi di espansione parleremo nel capitolo a loro dedicato: Vaso di espansione

Nelle centrali, comunque si prevedono valvole di sicurezza come protezioni dalle sovrapprensioni che si possono verificare sia sui circuiti pressurizzati dell’acqua sia su quelli del fluido refrigerante. Lo scarico di queste valvole deve essere convogliato all’esterno mediante tubazioni in acciaio di diametro non inferiore a quello delle valvole in maniera da non arrecare danno a cose e persone in caso di apertura.

Sto parlando degli impianti ad assorbimento.

In questo ambito esistono diverse esperienze e tante possibili applicazioni…leggendo su alcune riviste tecniche, ho notato un interessante articolo, che permette di sfruttare energeticamente dei processi che hanno un fine ecologico e quindi tipicamente non sono produttivi, gli impianti di abbattimento solventi.

Si tratta di impianti che sono installati in numerose aziende, dove si fa uso di solventi per svariati motivi:

• stampa
• reazione
• polimerizzazione

 Questi solventi avendo un punto di evaporazione a bassa temperatura, tendono a volatilizzare e diffondersi in atmosfera.

Di conseguenza, vengono installati impianti di recupero in primo luogo, quindi come trattamento finale, quando i solventi non sono più “economicamente” recuperabili, si installano impianti di abbattimento e combustione.

Questi impianti generano notevoli quantità di calore…calore che come leggevo, si è pensato bene di recuperare per produrre freddo (che viene utilizzato magari proprio nelle prime fasi del recupero dei solventi stessi).

Interessante…