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La generazione di freddo in impianti a recupero di
calore
Paolo Colaiemma
Come è noto la generazione di freddo
per climatizzazione ambientale, per
applicazioni industriali od altro può
essere effettuata con particolari
apparecchiature, denominate assorbitori,
in cui l’effetto utile è ottenuto a spese di
energia termica fornita ad un opportuno
livello di temperatura.
La sorgente termica può essere
costituita da acqua, olio diatermico,
vapore o fumi caldi, disponibili in
processi industriali.
L’energia termica fruibile, il più delle
volte altrimenti persa, viene recuperata
con appositi scambiatori e trasferita
all’assorbitore per mezzo di idonei
fluidi termovettori, normalmente acqua
calda o pressurizzata oppure vapore.
Di seguito vengono considerati
assorbitori di piccola taglia alimentati ad acqua calda, compresa tra i 70 °C e 95 °C. L’acqua
refrigerata è prodotta ad una temperatura minima di 5,5 °C. La dissipazione del calore dal circuito è
ottenuta normalmente con torri evaporative.
La serie delle macchine proposte comprende cinque modelli di potenza frigorifera nominale
rispettivamente di 17,6 kW, 35 kW, 70 kW, 105 kW e 176 kW. Essendo macchine modulari
compatibili tra di loro possono essere installate in più unità combinate per coprire diversi livelli di
potenza.
La presente memoria è articolata sull’analisi dei vari aspetti tecnici riguardanti questa particolare
serie di apparecchiature. Sono dapprima richiamati i principi del processo termodinamico,
denominato ad assorbimento; indi elencati i dati peculiari delle macchine ed illustrate le loro
caratteristiche di funzionamento; si forniscono poi utili suggerimenti sulla loro più idonea
utilizzazione per la produzione di acqua refrigerata in impianti a recupero di calore.
Principio di funzionamento dei gruppi ad assorbimento
Il principio di funzionamento dei gruppi analizzati è illustrato nella figura 1), in cui vengono
schematizzati i componenti principali della macchina e le varie fasi del processo.
Generatore
L’acqua di alimentazione riscalda, portandola all’ebollizione, la soluzione diluita di acqua e
bromuro di litio contenuta nel generatore. L’ebollizione libera vapore acqueo (refrigerante) e
concentra la soluzione di bromuro di litio. Questa viene raccolta e pre-raffreddata, passando
attraverso uno scambiatore di calore, prima di venire immessa nell’assorbitore.
Condensatore
Il vapore refrigerante perviene al condensatore dove condensa sulla superficie delle serpentine del
circuito di raffreddamento.
Il calore di condensazione è rimosso dall’acqua di raffreddamento ed espulso, normalmente
attraverso una torre evaporativa. Il liquido refrigerante, raccolto nel condensatore, passa quindi
nell’evaporatore attraverso un apposito orifizio.
Evaporatore
La pressione esistente nell’evaporatore è assai più bassa di quella del generatore e del condensatore
per l’influenza esercitata dall’assorbitore. Per questo motivo il liquido refrigerante, una volta entrato
nell’evaporatore, bolle ed assorbe calore evaporando sulla superficie delle serpentine del circuito
dell’acqua da refrigerare. Il vapore refrigerante ottenuto fluisce quindi nell’assorbitore.
All’interno del generatore
la soluzione diluita di
LiBr al 52% è portata
all’ebollizione. Il vapor
d’acqua prodotto fluisce al
condensatore ed il
separatore convoglia la
restante soluzione
concentrata al 56%
all’assorbitore, attraverso
lo scambiatore di calore.
Il processo è endotermico
(79-88°C)
Il vapore prodotto viene
assorbito dalla soluzione
concentrata di LiBr, con
processo esotermico
(29-35°C)
L’acqua depressurizzata
evapora a contatto con le
serpentine dell’acqua da
refrigerare. Ciò crea
l’effetto frigorifero (5-7°C)
Il vapore caldo viene raffreddato
e condensato (29-35°C)
Vapore
Vapore
Acqua
di raffreddamento
Acqua
refrigerata
8 kPa
0.7 kPa
Condensatore
Acqua
calda
Acqua
Assorbitore Evaporatore
Generatore
Separatore
52% LiBr
Orifizio
56% LiBr
Scambiatore
di calore
Acqua
di raffr.
WFC SC 30 Bilancio terrmico
Calore kW kW
Generatore in 150,6
Condensatore out 122,2 Evaporatore in 105,0
Assorbitore out 133,4
255,6 255,6
Pompa di
soluzione
Figura 1. Ciclo frigorifero ad assorbimento e bilancio termico
Assorbitore
La bassa pressione nell’assorbitore è dovuta all’affinità chimica fra la soluzione concentrata di
bromuro di litio proveniente dal generatore ed il vapore acqueo che si forma nell’evaporatore. Il
vapore refrigerante viene assorbito dalla soluzione concentrata di bromuro di litio, mentre
quest’ultima lambisce la superficie delle serpentine dell’assorbitore.
Il calore di condensazione e di diluizione è rimosso dall’acqua di raffreddamento. La soluzione
diluita di bromuro di litio è poi pre-riscaldata nello scambiatore di calore prima di ritornare nel
generatore.
Bilancio termico
Allo scopo di quantificare le varie potenze in gioco, nel riquadro di figura 1) vengono riportati i
valori caratteristici del bilancio termico del ciclo riferiti al modello da 105 kW frigoriferi nominali.
E’ opportuno tener presente che la quantità di calore da smaltire in ambiente esterno risulterà,
ovviamente, la somma di quella di alimentazione, pari a 150,6 kW, più quella assorbita
dall’ambiente da refrigerare pari a 105 kW, in totale quindi 255,6 kW.
Il rapporto tra la potenza dissipata e quella frigorifera prodotta è pari a 2,43. Ciò significa che per
ogni kW frigorifero prodotto si dovranno smaltire nell’ambiente 2,43 kW termici.
Il rapporto tra la potenza frigorifera erogata dalla macchina, pari a 105 kW, e quella termica fornita
alla stessa, pari a 150,6 kW, quantifica le sue prestazioni. Il valore di efficienza del gruppo,
denominato COP (Coefficient Of Performance) è, nel caso in esame, pari a 0,7. In altri termini per
produrre 1 kW frigorifero saranno necessari 1,43 kW termici.
Specifiche tecniche
Nella tabella 1 vengono riportate le specifiche tecniche degli assorbitori presi in esame.
Le potenze frigorifere nominali per le cinque unità proposte sono rispettivamente di 17,6 kW, 35
kW, 70 kW, 105 kW e 176 kW.
L’acqua refrigerata è prodotta a 7°C e con ritorno alla macchina a 12,5°C. È possibile variare la
temperatura di erogazione tra un minimo di 5,5°C ed un massimo di 15,5°C, fermo restando il
valore di salto termico fra la temperatura di mandata e quella di ritorno di 5,5°C.
La potenza da dissipare è rispettivamente di 42,7 kW, 85,4 kW, 171 kW, 256 kW e 428 kW con
temperature dell’acqua di raffreddamento in uscita di 35°C e di ingresso alla macchina di 31°C.
La potenza assorbita è nell’ordine pari a 25,1 kW, 50,2 kW, 100,4 kW, 150,6 kW e 252 kW con
temperature di lavoro di 88°C in entrata e di 83°C in uscita.
L’intervallo delle temperature dell’acqua di alimentazione utilizzabile è compreso tra i 70°C ed i
95°C. Le prestazioni delle macchine risulteranno ovviamente influenzate dal livello di temperatura
utilizzato, come appare evidente dall’analisi delle curve di funzionamento appresso riportate.
Da notare la ridottissima potenza elettrica assorbita per l’azionamento delle unità rispettivamente
pari a 48 W, 210 W, 260 W, 310 W e ...W . Questi valori, ovviamente, non tengono conto della
potenza elettrica richiesta per il funzionamento delle apparecchiature di circolazione dei fluidi di
lavoro (acqua di alimentazione ed acqua refrigerata) e per lo smaltimento del calore (acqua di
raffreddamento).
Tabella 1. Specifiche tecniche degli assorbitori considerati
Modello WFC
SC 5
WFC
SC 10
WFC
SC 20
WFC
SC 30
WFC
SC 50
Potenza frigorifera kW 17,6 35 70 105 176
Acq
ua
refr
iger
ata Temperatura
Ingresso °C 12,5
Uscita °C 7
Perdite di carico kPa 52,6 56,1 65,8 70,1 40,2
Pressione massima di
lavoro kPa 588
Portata nominale l/s 0,77 1,53 3,06 4,58 7,65
Volume serpentine l 8 17 47 73
Acq
ua
raff
redd
amen
to
Potenza dissipata kW 42,7 85,5 171 256 428
Temperatura Ingresso °C 31
Uscita °C 35
Perdita di carico kPa 38,3 85,3 45,3 46,4 41,2
Fattore sporcamento
M2hr°K/kW 0,086
Pressione massima di
lavoro kPa 588
Portata nominale l/s 2,55 5,1 10,2 15,3 25,5
Volume serpentine l 37 66 125 194
Acq
ua
cald
a
Potenza assorbita kW 25,1 50,2 100,4 150,6 252
Temperatura
Ingresso °C 88
Uscita °C 83
Range °C Minimo 70 – Massimo 95
Perdita di carico kPa 95,8 90,4 46,4 60,4 85,2
Pressione massima di
lavoro kPa 588
Portata nominale l/s 1,2 2,4 4,8 7,2 12
Volume serpentine l 10 21 54 84 170
Alimentazione
elettrica
Alimentazione elettrica
220V
1 fase
50Hz
400V 3 fasi 50Hz
Potenza assorbita W 48 210 260 310 590
Intensità di corrente A 0,22 0,43 0,92 1,25 2,6
Controllo Refrigerazione ON - OFF
Dimensioni
Larghezza mm 594 760 1.060 1.380 1.785
Profondità mm 744 970 1.300 1.545 2,060
Altezza (compresa piastra
di fissaggio) mm 1786 1.920 2.030 2.065 2.223
Peso A vuoto kg 365 500 930 1.450 2.100
In esercizio kg 420 604 1.156 1.801 2,725
Rumorosità Livello sonoro dB(A) a 1 metro 46 46 49 46 57
Diametro
tubazioni (A)
Circuito acqua refrigerata mm 32 40 50 50 80
Circuito acqua di
raffreddamento mm 40 50 50 65 80
Circuito acqua calda mm 40 40 50 65 80
Armadio
Impermeabile idoneo ad installazione all’aperto,
dotato di pannellature di acciaio zincato verniciato
color alluminio
Curve caratteristiche di prestazione
a)
b)
c)
Figura 2. Curve caratteristiche di prestazione dell’assorbitore di potenza frigorifera nominale pari a 105 kW
0
20
40
60
80
100
120
140
160
65 70 75 80 85 90 95 100
Temperatura di alimentazione acqua calda °C
Temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
27°C
29.5°C
31°C
32°C Standard point Uscita acqua refrigerata 7°C
Po
ten
za f
rig
ori
fera
ero
gata
kW
0
50
100
150
200
250
65 70 75 80 85 90 95 100
Temperatura di alimentazione acqua calda °C
Temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
27°C 29.5°C
31°C 32°C
Standard point Uscita acqua refrigerata 7°C
Po
en
za t
erm
ica
as
so
rbit
a k
W
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
0 20 40 60 80 100 120
Variazione portata acqua calda %
Fatt
po
te
ero
gata
Standard point. Uscita acqua refrigerata 7°C
Fatt
ore
di p
en
alizza
zio
ne d
ella
po
ten
za
ero
gata
P
ote
nza t
erm
ica a
ss
orb
ita k
W
Le prestazioni di ogni singola macchina vengono evidenziate dalle relative curve caratteristiche.
Nella figura 2 sono illustrate quelle dell’unità WFC-SC 30. Per le stesse varranno le seguenti
considerazioni, valide peraltro per tutta la gamma delle apparecchiature.
Tenendo fissa la temperatura dell’acqua refrigerata prodotta, pari a 7°C, la potenza frigorifera
erogata è fortemente influenzata dalle temperature dell’acqua di raffreddamento o meglio di
dissipazione e dalla temperatura dell’acqua di alimentazione. Si otterranno valori di potenza più
elevati, infatti, diminuendo la temperatura dell’acqua di raffreddamento oppure aumentando quella
di alimentazione. La temperatura dell’acqua di raffreddamento, che comunque non può scendere
sotto il valore di 24°C per evitare fenomeni di cristallizzazione della soluzione di lavoro, è dettata,
nel caso di utilizzo di torri evaporative, dalla temperatura a bulbo umido dell’aria esterna,
caratteristica della località d’installazione.
La temperatura dell’acqua di alimentazione non può eccedere, sulle unità considerate, i 95°C, per
motivi di sicurezza operativa, risultando la temperatura limite di progetto della macchina pari a
100°C. Essa, peraltro, può scendere a valori molto bassi, scontando per contro forti flessioni di
potenza.
Da ultimo è stato illustrato sempre nella figura 2) l’andamento del fattore di penalizzazione della
potenza frigorifera per riduzione della portata dell’acqua di alimentazione, fermi restando i
rimanenti parametri caratteristici di funzionamento.
I valori ottenibili dai grafici illustrati nella figura 2) possono essere utilizzati per ipotizzare
differenti condizioni di funzionamento della macchina, anche se i risultati ottenibili debbono essere
considerati solamente indicativi.
Per quanto riguarda le curve caratteristiche di prestazione delle altre unità della serie si rimanda al
sito www.maya-airconditioning.com
Schemi concettuali di impianto
In figura 3) è illustrato uno schema concettuale di impianto, che utilizza un assorbitore alimentato
con calore di recupero.
L’impianto è caratterizzato da due circuiti, quello primario deputato alla rivalorizzazione di calore
di recupero e quello secondario di gestione dell’assorbitore. I due circuiti sono interconnessi da uno
scambiatore. Questo, che è dotato di quattro connessioni, provvede ad una distribuzione all’utenza a
4 tubi.
Ad una temperatura dell’acqua calda disponibile nello scambiatore di almeno 70°C, qualora sia
richiesta acqua refrigerata, verranno azionate le pompe P3, P2 e P1 a servizio dei circuiti idraulici
dell’assorbitore.
L’acqua calda di alimentazione affluirà dallo scambiatore attraverso le valvole deviatrici MV2 e
MV3 sino all’assorbitore e da questo ritornerà allo scambiatore. L’acqua refrigerata spinta dalla
pompa P1 fluirà alle diverse utenze quali ad esempio centrale di trattamento aria, ventilconvettori
od altro.
Se è richiesto contemporaneamente calore, la valvola deviatrice MV1 verrà azionata allo scopo di
convogliare l’acqua calda all’utenza termica.
Nel caso di solo fabbisogno termico per riscaldamento, la valvola MV3 escluderà l’assorbitore.
Allorché l’impianto di recupero di calore venga posto fuori servizio per manutenzione od altro, la
valvola MV2 provvederà a deviare tutto il fluido termovettore verso la caldaia ausiliaria, allo scopo
di soddisfare comunque l’utenza. La stessa, ovviamente, dovrà essere in grado di fornire l’acqua
calda alle temperature e nelle quantità di progetto.
Nello schema è prevista una torre evaporativa chiusa. Poiché la qualità dell’acqua ed il suo
trattamento richiedono pur sempre una particolare attenzione, le torri chiuse offrono una soluzione
idonea alla salvaguardia dell’assorbitore.
La figura 4) illustra uno schema di impianto, che si differenzia dal precedente per il sistema di
smaltimento del calore operato mediante l’impiego di acqua a perdere.
Per quanto riguarda il raffreddamento con acqua a perdere, anche nel caso di acqua prelevata da
roggia o da fiume, la cui disponibilità in linea teorica, risulta essere illimitata, sussistono problemi
di approvvigionamento e di inquinamento termico, come di seguito precisato. E’ comunque
indispensabile tener presente che gli assorbitori in esame, come già precedentemente segnalato,
impongono temperature di condensazione comprese tra i 24°C ed i 31°C. Per contro la temperatura
di prelievo dell’acqua a perdere è, normalmente compresa, tra i 12°C ed i 18°C. Si dovrà, quindi,
miscelare parte dell’acqua ambiente, a temperatura inferiore, mediamente a 15°C, con acqua
ricircolata dallo scambiatore a temperatura superiore, mediamente a 32°C, mediante azionamento
della valvola MV4 di figura.
Figura 3. Schema concettuale di impianto con condensazione operata mediante torre evaporativa
Alimentazione
da recuperatore
di calore
Figura 4. Schema concettuale di impianto con condensazione operata mediante acqua a perdere
Il sistema di regolazione
Di seguito, con riferimento agli schemi di figure 3) e 4), viene illustrato il sistema di controllo del
funzionamento delle macchine.
Nella tabella delle specifiche tecniche sono riportate le funzioni di regolazione ON-OFF. Nella
modalità ON un termostato (WT1) posizionato sulla mandata dell’acqua refrigerata comanda, in
funzione della temperatura di questa, la pompa dell’acqua calda di alimentazione.
Le temperature standard di regolazione sono le seguenti:
- avvio della pompa dell’acqua calda alla temperatura dell’acqua refrigerata in uscita dalla
macchina di 10,5°C;
- arresto della stessa pompa alla temperatura dell’acqua refrigerata in uscita di 6,5°C.
Le temperature sopra indicate (set point) possono essere modificate, senza peraltro alcuna
possibilità di cambiamento del differenziale di temperatura delle stesse.
Questa caratteristica permette di impostare sulle unità una regolazione a step control fissando
differentemente in cascata i set point delle singole macchine in installazioni di più unità combinate;
l’utilizzo dei gruppi può così essere modulato in funzione delle variazioni del carico.
Per la refrigerazione la macchina richiede l’operatività della pompa P1 dell’acqua refrigerata, della
pompa P2 dell’acqua di raffreddamento e della pompa P3 dell’acqua calda di alimentazione. Nel
normale funzionamento la pompa P3 dell’acqua calda di alimentazione e la pompa P2 dell’acqua di
raffreddamento operano comandate dal termostato (WT1), posizionato sull’uscita dell’acqua
refrigerata. Di conseguenza se la temperatura dell’acqua refrigerata si abbassa sino a valori di 6,5°C
Alimentazione
da recuperatore
di calore NOTE
1)MV1-Valvola On-Off deviatrice 2)MV2- Valvola On-Off deviatrice
3)MV3- Valvola On-Off deviatrice
4)MV3-Valvola miscelatrice
o meno, le pompe P2 e P3 vengono disattivate. La pompa P1 dell’acqua refrigerata, viceversa,
rimane operativa e di conseguenza provvede alla domanda variabile del sistema di climatizzazione.
Se la temperatura dell’acqua refrigerata mossa dalla pompa P1 sale a 10,5°C le pompe P2, P3 si
riavviano automaticamente. L’operatività della macchina verrà così pienamente ristabilita. Può
quindi affermarsi che l’unità in realtà non è mai stata messa fuori servizio dal termostato (WT1);
essa è stata semplicemente esclusa dall’alimentazione, assecondando il carico di refrigerazione
richiesto dal sistema.
Con la macchina fuori servizio OFF, con segnalazione STOP sul pannello di controllo della CPU,
anche la pompa P1 cessa di operare. Tale stato consiste ovviamente nella completa inattività di
funzionamento dell’unità.
Lo smaltimento del calore
Come sopra accennato, per la corretta funzionalità della macchina, è necessario smaltire in
ambiente esterno una quantità di calore somma di quello di alimentazione della macchina stessa, più
quello assorbito nella refrigerazione.
Nel caso dell’unità in esame WFC-SC 30 la potenza da dissipare risulterà pari a 256,6 kW somma
di quella di alimentazione pari a 150,6 kW e di quella assorbita nella refrigerazione pari a 105 kW.
Un sistema comunemente utilizzato per rigettare calore in atmosfera è quello di predisporre ampie
superfici di scambio termico con l’aria ambiente, in modo che questa, sempre che si trovi ad una
temperatura inferiore, lo possa sottrarre alla macchina. Detto sistema di raffreddamento è detto ad
aria od anche a secco.
Quando l’aria ambiente non è sufficientemente fredda, oppure per diminuire le superfici di scambio,
il calore può essere smaltito anche utilizzando acqua, prelevandola relativamente fredda
dall’ambiente esterno (roggia, pozzo, fiume e così via) e restituendola poi più calda allo stesso
Figura 5
Riwag A.G. Turen Arth Svizzera
Assorbitori condotti con calore ricavato da combustione di trucioli legnosi.
L’acqua refrigerata è utilizzata per il raffreddamento degli stampi di
presse. Potenza frigorifera istallata 420kW.
ambiente esterno. Il raffreddamento ad acqua è più efficiente di quello ad aria, sia perché l’acqua è
di solito a temperatura inferiore di quella dell’aria, sia perché il suo coefficiente di scambio termico
è più elevato. Per contro l’acqua risulta meno conveniente per i suoi alti costi ed il suo impiego è
sempre meno consentito dalle amministrazioni locali per le implicazioni ambientali connesse
all’inquinamento termico delle acque pubbliche.
Torri Evaporative
Per il rigetto del calore generato negli assorbitori, che utilizzano quale fluido di lavoro una miscela
di acqua e bromuro di litio, sono normalmente impiegate torri evaporative. La loro adozione è
dovuta principalmente al basso livello delle temperature di smaltimento imposto dall’assorbitore
(31-35°C).
Il funzionamento delle torri evaporative è basato sull’utilizzazione del calore latente di
evaporazione dell’acqua. Mettendo a contatto nella torre una portata d’acqua, finemente suddivisa,
con una corrente d’aria, una piccola quantità di acqua viene assorbita per evaporazione dalla
corrente d’aria, sottraendo il suo calore latente di evaporazione all’acqua restante.
L’acqua uscente dalla torre sarà appena un po’ meno in quantità, ma sensibilmente più fredda di
quella inizialmente entrante, ed il calore sottratto, come calore latente di evaporazione, risulterà
disperso nell’ambiente, sotto forma di vapore acqueo contenuto nella corrente d’aria uscente, la cui
umidità sarà, pertanto, aumentata rispetto all’aria entrante, normalmente sino alla saturazione.
Il calore sottratto all’acqua non dipende dalla temperatura a bulbo secco dell’aria entrante, ma
solamente da quella a bulbo umido. Ciò risulta importante in quanto, per umidità relativa inferiore
al 100%, la temperatura a bulbo umido è inferiore a quella a bulbo secco (ad esempio con bulbo
secco di 32 °C ed umidità relativa pari al 52%, il bulbo umido è solo a 24 °C) e nei processi di
raffreddamento ci si può avvicinare a temperature sensibilmente inferiori rispetto a quelle ottenibili
utilizzando sistemi a secco.
La caratteristica peculiare delle torri evaporative è che il raffreddamento è ottenuto a spese di un
modesto consumo d’acqua (qualche % della portata in circolo), ma con un consumo di energia
ridotto rispetto ad un equivalente raffreddamento ad aria.
Il consumo d’acqua in una torre evaporativa è dato dalla somma di quello per evaporazione, di
quello per trascinamento delle gocce d’acqua nell’aria uscente (di solito nell’ordine dello 0,002%
della portata d’acqua circolante) e di quello di spurgo, variabile in funzione della qualità dell’acqua
utilizzata, con valori compresi fra il 30 ed il 100% del consumo d’acqua per evaporazione.
Per quanto riguarda lo spurgo va precisato quanto segue. La continua evaporazione dell’acqua
provoca un progressivo aumento, nell’acqua rimasta, della concentrazione di sali ed altre impurità,
anche di quelle assorbite dall’aria ambiente. Se non controllata, la concentrazione nell’acqua di
ricircolo di sali ed altri solidi disciolti aumenta molto rapidamente provocando incrostazioni
depositi e corrosioni, che pregiudicano il corretto funzionamento e la durata delle apparecchiature
utilizzate. Per limitare l’aumento di dette concentrazioni occorre effettuare uno spurgo, vale a dire
uno spillamento continuo realizzato a mezzo di una saracinesca posta possibilmente sulla tubazione
di entrata dell’acqua nella torre.
Nella tabella 2) sono riportate le specifiche tecniche delle torri evaporative da utilizzare in
accoppiamento agli assorbitori considerati nel presente lavoro.
Allo scopo di fornire un’idea dei valori in gioco, varrà segnalare che per l’assorbitore WFC-SC 30,
preso in esame, i valori massimi relativi ai consumi d’acqua risultano i seguenti: per evaporazione:
402 l/h; per trascinamento: 1,1 l/h; per spillamento: 402 l/h (valore massimo); per un totale
massimo quindi di 805 l/h.
Sistema di acqua a perdere
Come sopra accennato, soprattutto se le potenze in gioco sono limitate, può essere presa in
considerazione per lo smaltimento del calore anche acqua a perdere. Nel caso quindi di cospicue
disponibilità di acqua ambiente, prelevata ad esempio da roggia, da pozzo, da lago, da fiume,
eccetera, con l’interposizione di uno scambiatore per ragioni di sicurezza operativa, può essere
adottato uno schema quale quello illustrato nella figura 4).
Lo scambiatore lavorerà in controcorrente con temperature atte all’ottenimento di quella dettata
dalla condensazione, nel nostro caso 31°C (valore di targa), e la quantità d’acqua ambiente richiesta
sarà facilmente calcolabile con la formula 1) riportata di seguito.
Nel caso di utilizzo dell’assorbitore WFC SC 30, supponendo ad esempio che la temperatura
dell’acqua disponibile sia di 15°C, nota la quantità di calore da smaltire pari a 256,6 kW, risultando
il salto termico dell’acqua utilizzata di 16°C (31°C-15°C), si otterrà un impiego d’acqua pari a
13789 l/h.
Dal confronto dei valori sopra riportati appare evidente la notevolissima differenza dei fabbisogni di
acqua fra la soluzione con acqua a perdere 13789 l/h e quella con torre evaporativa 805 l/h.
Figura 6
Impregnatex Compositi - Castano Primo Milano.
Impianto da 105 kW frigoriferi alimentato con acqua calda a 90 °C
prodotta mediante recupero di calore da post combustione di solventi
utilizzati nel ciclo di impregnazione.
Scelta dei parametri operativi
Le varie considerazioni fatte finora presuppongono che l’impianto sia stato ben studiato per la
specifica applicazione; in particolare per quanto riguarda le singole apparecchiature sia stata
verificata l’idoneità degli intervalli di temperatura e delle portate dell’acqua calda utilizzata.
Tabella 2. Specifiche tecniche delle torri evaporative considerate
Un’ attenta progettazione dell’impianto deve mirare ad un sostanziale recupero del calore
disponibile; ciò è particolarmente necessario allorché questo viene per la massima parte impiegato
Modello TY 45 ICT 3-63 ICT 4-54 ICT 4-66 ICT 4-59
Potenza resa kW 42,7 85,4 (51,2) 171 256 428
Acqua
Temperatura Ingresso °C 35
Uscita °C 31
Portata nominale l/s 2,55 5,12 10,2 15,3 25,5
Perdita di carico kPa 30 2,1 17,9 17,9 22.1
Bulbo umido °C 26 26 26 26 26
Acqua evaporata max l/m 1,11 2,12 4,5 6,7 11,2
Aria
Ventilatori n° 1 1 1 1 2
Potenza assorbita kW 0,47 0,7 (0,15) 1,5 2,2 2 x 1,5
Portata aria (max) mc/s 0,14 2,32 4,3 6,3 9,3
Alimentazi
one Elettrica 400V 3 fasi 50Hz
Motore 4 poli 4/8 poli 4 poli 4 poli 4 poli
Dimensioni
Larghezza mm 870 ø 914 1216 1826 2731
Profondità mm 921 1226 1226 1226
Altezza mm 1320 1880 2312 (2414) 2617 (2719) 2616
Peso A vuoto kg 45 235 320 (365) 575 (620) 853
In esercizio kg 130 400 685 (730) 1085 (1130) 1592
Rumorosità
Livello sonoro dB(A) a 3 metri in
campo libero rilevato sulla sommità 46 a 10 m 69 (62) 76 (60) 79 (68) 84 (72)a 1,5 m
Diametro
tubazioni
Ingresso mm 40 80 100 100 100
Uscita mm 40 80 100 100 100
Reintegro mm 15 25 25 25 25
Troppo pieno mm 25 50 50 50 50
Scarico mm 25 50 50 50 50
Finiture
Pacco di scambio PVC
Rampa distribuzione acqua PVC
Ugelli spruzzatori acqua PVC ABS ABS ABS ABS
Separatori di gocce PVC
Bacino Vetroresina Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Pannelli di rivestimento Vetroresina Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Ventilatore assiale Alluminio
Nota In parentesi valori in bassa velocità del ventilatore per unità ICT 3- 63
In parentesi valori con l’adozione di ventilatore a bassa rumorosità per unità ICT 4-54, ICT 4-66 e ICT 4-59
nell’assorbitore, la cui alimentazione e le cui prestazioni sono ad esso strettamente correlate. Una
disattenta valutazione delle portate e della compatibilità delle temperature possono rendere il
sistema parzialmente inefficiente.
Si ipotizzi ad esempio che nel circuito primario, quello di recupero, sia disponibile acqua a
temperature di mandata e di ritorno prefissate. Ne consegue che anche nel circuito secondario,
quello di alimentazione dell’assorbitore, siano teoricamente disponibili le stesse temperature.
Qualora l’assorbitore fosse in grado di sfruttare tutto il salto termico previsto dal primario, ne
risulterebbe un pieno utilizzo della potenza termica disponibile.
Va tenuto presente, per contro, che gli assorbitori, qualora operino con temperature di alimentazione
inferiori a quelle nominali, vengono sostanzialmente penalizzati. Tutto ciò si traduce praticamente
in un parziale utilizzo della potenza disponibile sul primario. L’energia termica inutilizzata può
naturalmente essere impiegata altrove. Tuttavia il calore a disposizione potrebbe essere stato
considerato completamente convertibile nel progetto e, come sopra accennato, se lo stesso non è
totalmente fruibile ne risulterà una cospicua riduzione della potenza frigorifera ottenibile.
La massima potenza ricavabile si registra in ogni caso allorché la portata del circuito secondario
risulta la stessa del circuito primario.
Le valutazioni necessarie al dimensionamento del sistema dovranno basarsi sui valori rilevabili
dalle curve caratteristiche di prestazione del singolo modello di assorbitore considerato. In figura 2)
sono riportate quelle relative al WFC SC 30, di potenza frigorifera pari a 105 kW. Servirà in
aggiunta l’ausilio della formula 1) sotto riportata, che regola i rapporti fra i vari parametri in gioco
in un circuito idraulico.
P = C ∆T Q (1)
dove:
P = potenza termica scambiata (kW)
C = calore specifico dell’acqua, pari a 4,187 (kWs/°C l)
∆T= differenziale di temperatura dell’acqua (°C)
Q = portata volumetrica dell’acqua (l/s)
La procedura da seguire risulterà la seguente.
Fissata la temperatura dell’acqua di alimentazione e la temperatura dell’acqua di raffreddamento,
per valori di portata di targa dell’acqua di alimentazione, dalle curve a) e b) della figura 2) si
potranno ricavare le potenze frigorifera erogata e quella termica assorbita.
Dalla formula 1), note la potenza assorbita e la portata utilizzata si potrà calcolare il salto termico
dell’acqua nel circuito di alimentazione, valore questo eventualmente necessario al
dimensionamento dello scambiatore di interfaccia fra circuito primario e secondario.
Qualora si adotti, a parità di temperatura dell’acqua di alimentazione, una portata ridotta rispetto a
quella di targa si potrà utilizzando la curva c) di figura 2), ricavare il fattore di penalizzazione della
potenza erogata e di quella assorbita. Nota quest’ultima, dalla formula 1) si potrà, determinare il
differenziale di temperatura dell’acqua nel circuito di alimentazione.
Per l’ottenimento dei vari valori in gioco, in luogo delle procedure sopra indicate, piuttosto
laboriose, è possibile utilizzare un programma di calcolo computerizzato appositamente elaborato.
Gli esempi sotto riportati chiariranno meglio quanto sopra asserito.
Esempi di valutazione delle prestazioni
Per un confronto dei risultati è risultato opportuno servirsi della stessa macchina per ogni singola
valutazione. Quella presa in esame è stata la WFC SC 30.
I valori ottenuti sono stati opportunamente arrotondati.
Primo esempio
Il primo esempio è costituito dalla macchina operante secondo i valori di targa, che come riportato
nella tabella 1) sono;
temperatura acqua calda di alimentazione 88 °C
portata acqua calda di alimentazione 7,2 l/s
temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 °C
A fronte di tali parametri, dalle curve di prestazione si otterrà:
Pf potenza frigorifera erogata 105 kW
Pt potenza termica assorbita 150 kW
temperatura acqua calda in uscita 83 °C
La temperatura dell’acqua calda in uscita è stata ricavata utilizzando la formula 1), che ha
evidenziato un ∆T di 5°C.
Secondo esempio
Si ipotizzi di operare con acqua disponibile a 88°C, con ritorno a 78°C.
Alimentando la macchina con acqua a 88°C, con la portata nominale di 7,2 l/s, si otterrà un
differenziale di temperatura dell’acqua, come sopra riportato, di soli 5°C. Allo scopo di
incrementare questo differenziale, si renderà necessario diminuire la portata. Procedendo per
successive riduzioni si individuerà nel valore di 2,8 l/s quello che produce nella macchina un salto
termico di 10 °C. La portata di 2,8 l/s, che corrisponde a circa il 40% di quella nominale, causa
come si può rilevare dalla curva c) di figura 2), un fattore di penalizzazione dello 0,8 delle potenze
di targa. Ne risulterà quindi una potenza erogata di 84 kW ed una corrispondente potenza assorbita
di 120 kW.
I parametri di funzionamento della macchina saranno in questo caso:
temperatura acqua calda di alimentazione 88 °C
portata acqua calda di alimentazione 2,8 l/s
temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 °C
Con produzione di:
Pf potenza frigorifera erogata 84 kW
Pt potenza termica assorbita 120 kW
temperatura acqua calda in uscita 78 °C
Dal confronto con i dati del primo esempio si può dedurre quanto segue.
L’incremento del differenziale di temperatura dell’acqua da 5°C a 10°C ha causato una riduzione
della potenza erogata di 21 kW (da 105 kW a 84 kW), pari a circa il 20%, con conseguente
riduzione della potenza termica assorbita di 30 kW (da 150 kW a 120 kW), sempre pari al 20%.
Terzo esempio
Si valutino ora le prestazioni dell’assorbitore operante con il valore massimo di temperatura
consentito per l’acqua di alimentazione, pari a 95°C, sempre con portata di targa di 7,2 l/s e
temperatura di condensazione di 31°C.
In questo caso le condizioni operative risulteranno le seguenti:
temperatura acqua calda di alimentazione 95 °C
portata acqua calda di alimentazione 7,2 l/s
temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 °C
A fronte delle quali si otterrà:
Pf potenza frigorifera erogata 120 kW
Pt potenza termica assorbita 190 kW
temperatura acqua calda in uscita 88,7 °C
Rispetto ai valori di targa, l’incremento del livello di temperatura di 7°C (da 88°C a 95°C)
dell’acqua utilizzata ha prodotto una maggiore potenza erogata di 15 kW (120 kW meno 105 kW),
pari ad un aumento del 15% circa.
I dati di questo esempio relativi alle prestazioni della macchina, ricavati col programma di calcolo
computerizzato, sono riportati nella scheda sotto illustrata.
Scheda di prestazione WFC SC 30
per
temperatura acqua calda di alimentazione 95 °C
portata acqua calda di alimentazione 7,2 l/s
temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 °C
Conclusioni
Dagli esempi sopra considerati si possono trarre le seguenti conclusioni.
Le prestazioni conseguibili sono fortemente influenzate dal livello entalpico dell’acqua utilizzata e
dalle variazioni di entalpia che la stessa subisce nel passaggio nella macchina. Il primo dei due
valori è individuato dalla temperatura massima dell’acqua di alimentazione, il secondo dal
differenziale di temperatura prodottosi nel circuito.
La massima prestazione dell’assorbitore, a parità di ogni altra condizione di funzionamento, è
conseguibile adottando, per l’alimentazione, la portata di targa. Ciò in quanto, a portata ridotta
corrisponde un salto termico dell’acqua maggiore e, quindi, una sua maggiore variazione entalpica.
Nel caso si progetti l’utilizzo di cascami di calore per l’azionamento esclusivo di un assorbitore, si
dovrà dimensionare il recuperatore in modo tale che questo lavori ai massimi livelli di temperatura
ottenibili, adottando le portate di targa dell’assorbitore considerato. La potenza termica recuperata
potrà in tal modo essere completamente convertita in freddo.
Qualora invece si consideri un impianto a recupero termico esistente, si dovrà verificare la
compatibilità delle temperature, delle portate, e delle potenze in gioco, in quanto come evidenziato
dagli esempi sopra illustrati, non è possibile asservire completamente l’assorbitore al sistema di
rivalutazione termica già operante.
I valori di funzionamento, per condizioni diverse da quelle di targa, possono essere ricavati dalle
curve caratteristiche di prestazione, oppure, richiedendo all’indirizzo e-mail maya@maya-
airconditioning.com le schede di prestazione del tipo sopra illustrato.
Va tenuto presente al riguardo che l’effetto moltiplicativo prodotto dalla contemporanea adozione di
differenti parametri operativi può generare risultati non pienamente attendibili. In altri termini, ciò
significa che i valori ottenuti variando più condizioni di esercizio debbono essere considerati solo
indicativi e, come tali quindi utilizzati.
Per ulteriori informazioni contattare:
Maya S.p.A.
Via Enrico Falck, 53
20151 Milano MI
Tel: +39 02 290 60 290 - Fax: +39 02 290 04 036
E-mail: [email protected]
www.maya-airconditioning.com
Milano 08/2017