Tutti i sistemi di refrigerazione e condizionamento industriali producono emissioni di calore più o meno consistenti.
Ad eccezione di alcune circostanze, questo calore residuo presenta un basso contenuto energetico che può essere più o meno conveniente in un’ottica di recupero.
Per fare questo è necessario buttare fuori questo calore, dissipandolo all’esterno: tra le numerose soluzioni sfruttabili ci sono le torri di raffreddamento.
Per raggiungere una condizione di efficienza energetica e sfruttare al meglio questa tecnologia analizziamo insieme i seguenti aspetti:
- funzionamento e utilizzo delle torri di raffreddamento
- che cosa si intende per temperatura di bulbo umido e perché è importante
- il concetto di efficienza applicato alle torri di raffreddamento
- le principali tipologie di tecnologie di raffreddamento
Cosa sono le torri di raffreddamento e come funzionano
Le torri evaporative, o torri di raffreddamento, sono apparecchi che sfruttano in maniera efficiente un principio naturale semplice ma molto efficace: una piccola parte dell’acqua evapora sottraendo calore al resto della massa, che di conseguenza si raffredda grazie al fenomeno del calore latente di evaporazione.
Il concetto di sottrazione del calore può essere spiegato attraverso i concetti di calore latente e sensibile.
Il calore sensibile corrisponde alla quantità di energia calorifica aggiunta o sottratta da un elemento fisico al fine di modificarne la temperatura.
Il concetto di calore latente introduce quello del cambio di stato che una sostanza subisce in seguito ad perdita/aggiunta di calore. Pensiamo ad esempio a quando l’acqua passa dallo stato liquido a quello solido quando le viene tolto calore nel momento in cui si arriva al punto di congelamento.
Il calore che nei sistemi di raffreddamento operativi viene tolto/immesso prende il nome di calore latente di evaporazione.
Per essere certi che le torri evaporative consentano uno scambio termico latente ottimale è necessario che vengano progettate in modo che ci sia una superficie di contatto aria/acqua molto ampia.
A questo risultato si giunge attraverso un pacco di scambio termico, progettato appositamente per la funzione, e a un ventilatore capace di muovere un volume d’aria determinato secondo parametri ben definiti.
Che cos’è la temperatura di bulbo umido e perché è importante
Un concetto fisico fondamentale per comprendere il funzionamento delle torri di raffreddamento è la temperatura al bulbo umido, parametro centrale nella teoria dei sistemi evaporativi.
Essa rappresenta le condizioni più sfavorevoli di temperatura e umidità relativa del luogo di installazione e costituisce il riferimento per determinare la temperatura minima teorica ottenibile in uscita dalla torre.
Come si costruisce una torre di raffreddamento e in che modo deve essere dimensionata
Il dimensionamento delle torri evaporative si basa su alcuni parametri fondamentali:
- la potenza termica da dissipare,
- la temperatura dell’acqua in ingresso,
- la temperatura desiderata in uscita,
- le condizioni termo-igrometriche (temperatura e umidità) tipiche del luogo di installazione.
Proprio quest’ultimo dato è determinante poiché permette di individuare la temperatura al bulbo umido, che rappresenta le condizioni ambientali più sfavorevoli e il limite teorico verso cui tende la temperatura dell’acqua raffreddata.
Anche in queste condizioni estreme la torre deve garantire le temperature di progetto necessarie alla dissipazione del carico termico: minore sarà la differenza tra la temperatura di bulbo umido e quella dell’acqua in uscita (approach), più grande dovrà essere la torre per raggiungere l’obiettivo.
Solitamente con un approach compreso tra 2-3 °C e 5-6 °C è possibile soddisfare la maggior parte delle esigenze impiantistiche moderne.
Componenti e materiali costruttivi
Le torri di raffreddamento, a circuito aperto o chiuso, sono costituite:
- Struttura di contenimento e supporto, solitamente realizzata in lamiera, vetroresina o entrambi. Nelle torri di grandi dimensioni, come quelle industriali o iperboliche, può essere impiegato anche il cemento;
- Pacco di scambio termico (torri aperte) o batteria di scambio termico a tubi lisci (torri chiuse), è qui che avviene lo scambio di calore tra acqua e aria;
- Ventilatore assiale o centrifugo: unico organo meccanico in movimento, forza l’evaporazione dell’acqua necessaria al raffreddamento. La scelta del tipo di ventilatore dipende dalle condizioni di progetto e influisce su efficienza e consumi;
- Sistema di distribuzione dell’acqua, costituito da tubi e ugelli, distribuisce uniformemente l’acqua sul pacco o sulla batteria di scambio;
- Separatore di gocce, posto a monte del ventilatore, trattiene le gocce d’acqua che altrimenti verrebbero trascinate all’esterno dal flusso d’aria;
La natura dell’acqua da raffreddare influisce sia sulla scelta dei materiali costruttivi, sia sul tipo di pacco di scambio più adatto:
- quando l’acqua è particolarmente aggressiva o acida si preferiscono materiali inossidabili o vetroresina, resistenti alla maggior parte degli agenti chimici;
- quando l’acqua contiene impurità o sostanze organiche è più opportuno scegliere pacchi di scambio specifici: antifouling a canali verticali non incrociati oppure pacchi “splash”, basati sulla frantumazione della goccia.
Il concetto di efficienza applicato alle torri di raffreddamento
A fronte di un ottimo rapporto costo/kW dissipati, le torri di raffreddamento sono considerate uno dei dispositivi di raffreddamento più sfruttati sia in ambito industriale che civile:
- non richiedono particolari organi in movimento ad accezione di un ventilatore che può essere montato in mandata o in aspirazione;
- richiedono un consumo modesto di energia elettrica rispetto ad altre soluzioni;
- l’acqua raffreddata può raggiungere temperature nettamente inferiori a quelle della temperatura dell’ambiente grazie allo scambio latente di evaporazione.
Le principali tipologie di tecnologie di raffreddamento a confronto
Sia in ambito civile che industriale, quando si deve realizzare un sistema di raffreddamento è opportuno considerare alcuni aspetti, in particolare: le temperature di esercizio e quelle ambientali associate al luogo che ospiterà l’impianto.
Tra le principali tecnologie di raffreddamento troviamo:
- evaporative
- dry
- adiabatiche
- meccaniche
Un sistema evaporativo rappresenta la soluzione migliore quando l’obiettivo è una temperatura di fluido raffreddato al di sotto della temperatura ambiente.
In queste circostanze infatti il limite minimo del fluido raffreddato è la temperatura al bulbo umido dell’aria.
Un sistema di raffreddamento che sfrutta la tecnologia dry ad aria si utilizza solitamente quando si ha la necessità di raffreddare il fluido portandolo ad una temperatura superiore a quella ambientale.
Il funzionamento di questi sistemi si basa sulla scambio di calore sensibile che, rispetto allo scambio latente di evaporazione, è meno efficiente.
Quando si ha la necessità di raggiungere una temperatura di fluido uguale o inferiore di poco a quella ambientale è consigliabile sfruttare tecnologie adiabatiche.
In generale, possiamo dire che non esiste un sistema di raffreddamento valido per tutte le stagioni: la scelta in tal senso deve essere fatta in funzione del progetto e delle condizioni ambientali, creando spazi e condizioni ottimali per il funzionamento degli impianti.
All’ultima tipologia di tecnologia appartengono i gruppi frigoriferi, dispositivi che sfruttano componenti meccanici (come evaporatori o compressori) per raggiungere determinate temperatura e non elementi naturali.
