La produzione periferica di acqua refrigerata in
impianti di teleriscaldamento
Paolo Colaiemma
Recentemente
è
stata
messa sul mercato una
nuova serie di macchine
frigorifere ad assorbimento
di
piccola
potenza,
alimentate ad acqua calda,
impieganti come fluido di
lavoro una soluzione di
acqua e bromuro di litio.
Le nuove unità sono state
concepite per l’utilizzo di
calore a bassa temperatura,
con applicazioni tipiche in
impianti di climatizzazione
ambientale.
La temperatura dell’acqua
calda richiesta dal ciclo ad
assorbimento è compresa
tra 70 °C e 95 °C. L’acqua
refrigerata prodotta esce
dall’evaporatore a 7 °C
temperatura particolarmente idonea quindi ai processi di condizionamento dell’aria. La dissipazione
del calore dal circuito è ottenuta con la circolazione di acqua negli scambiatori dell’assorbitore e del
condensatore. 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.
Il presente lavoro è articolato sull’analisi dei vari aspetti tecnici di questa particolare serie di
macchine. 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 periferica di acqua refrigerata in impianti di teleriscaldamento.
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 lo 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’apposita apertura.
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.
WFC SC 30 Bilancio terrmico
Calore
Vapore
Generatore
Condensatore
Evaporatore
Assorbitore
Separatore
56% LiBr
kW
in
out
in
out
122,2
105,0
133,4
255,6
Acqua
di raffreddamento
Acqua
calda
Acqua
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)
Condensatore
Il vapore caldo viene raffreddato
e condensato (29,5 – 35 °C)
Generatore
Scambiatore
di calore
Vapore
8 kPa
0.7 kPa
Pompa di
soluzione
Assorbitore
Il vapore prodotto viene
assorbito dalla soluzione
concentrata di LiBr, con
processo esotermico
(29,5 - 35 °C)
Figura 1 - Ciclo frigorifero ad assorbimento e bilancio termico
Orifizio
Acqua
refrigerata
Acqua
di raffr.
52% LiBr
kW
150,6
Evaporatore
L’acqua
depressurizzata
evapora a contatto con le
serpentine dell’acqua da
refrigerare. Ciò crea l’effetto
frigorifero (5 -7 °C)
255,6
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, 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 590 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).
Curve caratteristiche di prestazione
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.
WFC
SC 5
WFC
SC 10
kW
17,6
35
°C
°C
kPa
52,6
56,1
Modello
Acqua calda
Acqua raffreddamento
Acqua refrigerata
Potenza frigorifera
Alimentazione
elettrica
Controllo
Dimensioni
Peso
Rumorosità
Temperatura
Ingresso
Uscita
Perdite di carico
Pressione massima di
lavoro
Portata nominale
Volume serpentine
Potenza dissipata
Ingresso
Temperatura
Uscita
Perdita di carico
Fattore sporcamento
M2hr°K/kW
Pressione massima di
lavoro
Portata nominale
Volume serpentine
Potenza assorbita
Ingresso
Temperatura
Uscita
Range
Perdita di carico
Pressione massima di
lavoro
Portata nominale
Volume serpentine
Diametro
tubazioni (A)
l/s
l
kW
°C
°C
kPa
105
176
70,1
40,2
4,58
73
256
7,64
120
428
46,4
37,4
10,2
15,3
125
194
100,4
150,6
88
83
Minimo 70 – Massimo 95
90,4
46,4
60,4
25,5
335
252
70
12,5
7
65,8
588
0,77
8
42,7
1,53
17
85,5
38,3
85,3
kPa
l/s
l
kW
°C
°C
°C
kPa
3,06
47
171
31
35
45,3
588
2,55
37
25,1
95,8
5,1
66
50,2
kPa
l/s
l
Potenza assorbita
W
Intensità di corrente
A
Refrigerazione
Larghezza
mm
Profondità
mm
Altezza (compresa piastra
mm
di fissaggio)
A vuoto
kg
In esercizio
kg
Livello sonoro dB(A) a 1 metro
Circuito acqua di
raffreddamento
Circuito acqua calda
WFC
SC 50
0,086
Alimentazione elettrica
Circuito acqua refrigerata
WFC
SC 30
kPa
WFC
SC 20
86,7
588
1,2
10
220V
1 fase
50Hz
48
0,22
594
744
2,4
21
4,8
54
7,2
84
12
170
400V 3 fasi 50Hz
210
0,43
260
0,92
ON - OFF
760
1.060
970
1.300
310
1,25
590
2,6
1.380
1.545
1.785
1.960
1.786
1.983
2.116
2.130
2.223
365
420
46
500
604
46
930
1.156
49
1.450
1.801
46
2.100
2.725
57
mm
32
40
50
50
80
mm
40
50
50
65
80
mm
Armadio
Tabella 1 - Specifiche tecniche degli assorbitori considerati
40
40
50
65
80
Impermeabile idoneo ad installazione all’aperto,
dotato di pannellature di acciaio zincato verniciato
color alluminio
160
Temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
Potenza frigorifera erogata kW
140
120
2 7 °C
2 9 . 5 °C
100
3 1°C
80
3 2 °C
Standard point
Uscita acqua refrigerata 7°C
60
40
20
0
65
70
75
80
85
90
95
100
Temperatura di alimentazione acqua calda °C
250
Potenza termica assorbita kW
Temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
200
2 7 °C
2 9 . 5 °C
150
3 1°C
3 2 °C
100
Standard point
Uscita acqua refrigerata
7°C
50
0
65
70
75
80
85
90
95
100
Temperatura di alimentazione acqua calda °C
Fattore di penalizzazione della potenza erogata
1,1
1
0,9
Standard point.
Uscita acqua refrigerata
7°C
0,8
0,7
0,6
0
20
40
60
80
100
120
Variazione portata acqua calda %
Figura 2 - Curve caratteristiche di prestazione dell’ assorbitore di potenza frigorifera nominale pari a 105 kW
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.
Schemi concettuali di impianto
In figura 3 è illustrato uno schema concettuale di impianto di assorbitore inserito in una rete di
teleriscaldamento. La rete provvede al trasporto del calore presso l’utente e l’assorbitore alla
produzione locale di acqua refrigerata.
L’impianto è caratterizzato da due circuiti, quello primario al servizio del sistema di distribuzione
del calore 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 (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 proveniente dall’assorbitore all’utenza termica.
Nel caso di solo fabbisogno termico per riscaldamento, la valvola MV3 escluderà l’assorbitore.
Allorché l’impianto di teleriscaldamento 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.
Figura 3 - Schema concettuale di impianto con condensazione operata mediante torre evaporativa
NOTE
1) MV1-Valvola On-Off deviatrice
2) MV2- Valvola On-Off deviatrice
3) MV3- Valvola On-Off deviatrice
4) MV3-Valvola miscelatrice
Figura 4 - Schema concettuale di impianto con condensazione operata mediante acqua a perdere
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.
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 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 immediatamente. 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 dell’ambiente da refrigerare.
Figura 5 – Mantova, Palazzo Ducale - Museo Archeologico.
Centrale di produzione periferica di acqua refrigerata in
impianto di teleriscaldamento. La potenza frigorifera
nominale dell’installazione è pari a 420 kW. L’acqua di
alimentazione da rete è erogata da TEA SPA a 80 °C.
Lo smaltimento del calore è operato con acqua prelevata dal
limitrofo fiume Mincio.
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 dall’ambiente 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.
Il calore può essere smaltito anche utilizzando acqua, qualora l’aria ambiente non sia
sufficientemente fredda, oppure per diminuire le superfici di scambio. E’ possibile prelevarla
relativamente fredda dall’ambiente esterno (roggia, pozzo, fiume e così via) restituendola poi più
calda allo stesso 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.
Modello
Potenza resa
kW
Temperatura
Acqua
Aria
Alimentazione
Ingresso
°C
Uscita
°C
Peso
Rumorosità
Diametro
tubazioni
ICT 4-54
ICT 4-66
ICT 4-59
42,7
85,4 (51,2)
171
256
428
35
31
l/s
2,55
5,12
10,2
15,3
25,5
Perdita di carico
kPa
4
2,1
17,9
17,9
22.1
Bulbo umido
Acqua evaporata max
°C
l/m
26
1,11
26
2,12
26
4,5
26
6,7
26
11,2
Ventilatori
n°
1
1
1
1
2
Potenza assorbita
kW
0,55
0,7 (0,15)
1,5
2,2
2 x 1,5
Portata aria (max)
mc/s
1,19
2,32
4,3
6,3
9,3
Elettrica
400V 3 fasi 50Hz
Larghezza
Profondità
mm
mm
4 poli
800
800
4/8 poli
914
921
4 poli
1216
1226
4 poli
1826
1226
4 poli
2731
1226
Altezza
mm
2110
1880
2312 (2414)
2617 (2719)
2616
A vuoto
kg
In esercizio
kg
Livello sonoro dB(A) a 3 metri in
campo libero rilevato sulla sommità
75
180
235
400
320 (365)
685 (730)
575 (620)
1085 (1130)
55,3 a 10 m
69 (62)*
76 (60)**
79 (68)**
853
1592
84 (72)**
a 1,5 m
Ingresso
mm
50
80
100
100
100
Uscita
mm
50
80
100
100
100
Reintegro
Troppo pieno
mm
mm
20
15
25
50
25
50
25
50
25
50
Scarico
mm
20
50
50
50
50
Pacco di scambio
PVC
Rampa distribuzione acqua
PVC
Ugelli spruzzatori acqua
Finiture
ICT 3-63
Portata nominale
Motore
Dimensioni
PMS 6/65
PP
ABS
ABS
ABS
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
PVC
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Acciaio
zincato Z725
Separatori di gocce
Bacino
Vetroresina
Pannelli di rivestimento
Vetroresina
Acciaio
Alluminio
zincato
*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
Ventilatore assiale
Nota
ABS
Tabella 2 - Specifiche tecniche delle torri evaporative considerate
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 percentuale 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
13,789 l/h.
Dal confronto dei valori sopra riportati appare evidente la notevolissima differenza degli utilizzi di
acqua fra la soluzione con acqua a perdere 13,789 l/h e quella con torre evaporativa 805 l/h.
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.
Figura 6 – Morbegno, SEM (Società Elettrica in Morbegno).
La climatizzazione della sede SEM, edificio a destra nella foto, è effettuato con assorbitore da 105 kW frigoriferi
alimentato con acqua a 82 °C fornita dalla centrale di cogenerazione e teleriscaldamento da 14,226 kW ubicato
nell’immobile a sinistra nella foto.
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
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
dove:
P =
C =
∆T =
Q =
potenza termica scambiata
calore specifico dell’acqua, pari a 4,187
differenziale di temperatura dell’acqua
portata volumetrica dell’acqua
(1)
(kW)
(kWs/°C l)
(°C)
(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. Noto quest’ultimo, 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
2,8 l/s
portata acqua calda di alimentazione
temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
31
°C
Con produzione di:
Pf potenza frigorifera erogata
Pt potenza termica assorbita
temperatura acqua calda in uscita
84
120
78
kW
kW
°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
Pt potenza termica assorbita
temperatura acqua calda in uscita
120
kW
190 kW
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
portata acqua calda di alimentazione
temperatura di ingresso acqua di raffreddamento
95 °C
7,2 l/s
31
°C
Portata
Tempertura ingresso
Perdita di carico (nominale)
Potenza da disspare
15,3
31
43,1
310,8
l/s
°C
kPa
kW
Portata
Temperatura uscita
Perdita di carico (nominale)
Potenza frigorifera erogata
4,58
7
70
120,3
l/s
°C
kPa
kW
Portata
Temperatura ingresso
Perdita di carico
Potenza termica assorbita
Δt acqua calda di alimentazione
7,2
95
54
190,5
6,3
l/s
°C
kPa
kW
°C
N.B. I valori sopra riportati devono essere considerati
di semplice riferimento teorico e, pertanto, puramente
indicativi.
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 un sua maggiore variazione entalpica.
Nel caso si progetti l’utilizzo di calore disponibile in impianto di teleriscaldamento per
l’azionamento esclusivo di un assorbitore, si dovrà operare in modo tale che questo lavori ai
massimi livelli di temperatura disponibili, adottando le portate di targa dell’assorbitore considerato.
La potenza termica recuperata potrà in tal modo essere completamente convertita in freddo.
Si dovrà in ogni caso 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 ai valori di distribuzione termica caratteristici del sistema di
teleriscaldamento considerato.
I dati di funzionamento degli assorbitori, per condizioni diverse da quelle di targa, possono essere
ricavati dalle curve caratteristiche di prestazione.
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:
Associazione Climgas
Via Scarsellini 13
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Milano 2/2012