Come scegliere il giusto chiller industriale

Uno dei motivi più convincenti per installare un chiller è ridurre al minimo i tempi di fermo grazie alla protezione continua che fornisce nell'eliminare il calore dalle preziose apparecchiature di processo sensibili alla temperatura.

 

Allo stesso tempo, un chiller consente di risparmiare acqua e i costi associati riciclando e riutilizzando l'alimentazione idrica dell'impianto. Il costo dell'acqua di raffreddamento può aumentare rapidamente, specialmente se le attrezzature di processo funzionano per diversi turni al giorno. Quando un chiller viene introdotto nel sistema, può bypassare i costi e la necessità di un approvvigionamento idrico municipale monitorato e di scarico delle acque reflue, contribuendo a risparmi sostanziali entro i budget di produzione.

 

Inoltre, con gli ultimi sviluppi nella tecnologia dei chiller, è possibile ottenere un ritorno sull'investimento in un periodo molto breve della vita utile dell'apparecchiatura.

Quando si specifica un'installazione di chiller, una conoscenza approfondita dei fattori di prestazione del chiller è fondamentale per ottenere il prodotto giusto.

Ciò che deve essere determinato è:

• il tipo di fluido di processo che verrà utilizzato;
• la temperatura di raffreddamento del processo;
• i requisiti di portata e pressione;
• l'ambiente di lavoro;
• Temperatura ambiente ammessa
• le dimensioni necessarie del chiller e i vincoli di spazio della sua ubicazione.

I fattori principali da tenere in considerazione quando si considerano i fluidi di raffreddamento appropriati per un processo sono le loro caratteristiche prestazionali e la compatibilità delle apparecchiature.

 

Le prestazioni di un liquido di raffreddamento si basano sulle sue proprietà a una data temperatura. I parametri rilevanti sono calore specifico, viscosità e punti di congelamento/ebollizione. Esiste una relazione diretta tra calore specifico e capacità di raffreddamento.

 

Per mantenere l'integrità del sistema e prolungare il tempo di miglior performance, si consiglia di miscelare una percentuale di glicole etilenico o propilenico con acqua (tipicamente nell'intervallo del 10-50%) quando sono necessarie temperature di setpoint basse o alte.

 

La temperatura di setpoint influisce sulla capacità di raffreddamento di un chiller. La riduzione della temperatura metterà più carico sull'impianto di refrigerazione e viceversa per aumentarlo.

Esiste una relazione diretta tra la temperatura alla quale il chiller è stato impostato e la sua capacità di raffreddamento totale. Pertanto, è importante esaminare i dati sulle prestazioni pubblicati del chiller per verificarne la rilevanza per l'installazione proposta.

Allo stesso tempo, se il refrigeratore è destinato a un sito esposto, è altrettanto importante stabilire il livello di protezione antigelo richiesto, ovvero la temperatura del fluido in uscita più fredda del refrigeratore durante il funzionamento.

Sebbene la durata della pompa sia una considerazione primaria nella configurazione di un sistema di raffreddamento industriale, la perdita di pressione nel sistema e la portata necessaria devono essere determinate in base alle dimensioni e alle prestazioni della pompa.

Pressione: una pompa sottodimensionata rispetto alla pressione richiesta, fa circolare una portata ridotta attraverso l'intero circuito di raffreddamento. Se il chiller è dotato di bypass, parte della portata verrà deviata sul chiller senza passare per il circuito e quindi senza produrre raffreddamento. Se non è presente alcuna bypass, la pompa tenterà di fornire la pressione necessaria con il rischio di funzionare a quella che viene definita "dead-head pressure" (pressione a vuoto o limite). Quando si verifica questo stato, la vita utile della pompa può essere drasticamente ridotta: il liquido nella pompa diventa caldo, vaporizzando e interrompendo la capacità della pompa di raffreddarsi, con conseguente usura eccessiva di cuscinetti, guarnizioni e giranti. Per determinare la perdita di pressione in un sistema è necessario disporre dei manometri in corrispondenza dell'ingresso e dell'uscita del processo, quindi verificare sulla curva della pompa la portata corrispondente a quella differenza di pressione e che questa sia sufficiente per il processo che si va a raffreddare.

Portata: un flusso inadeguato attraverso il processo produrrà un trasferimento di calore inadeguato, quindi il flusso non rimuoverà il calore necessario per un funzionamento sicuro del processo. Man mano che la temperatura del fluido aumenta oltre il setpoint, anche le temperature della superficie/componente continueranno ad aumentare fino a raggiungere una temperatura stazionaria superiore al setpoint iniziale.

La maggior parte dei sistemi di raffreddamento descriverà dettagliatamente i requisiti di pressione e portata. Quando si specifica la necessaria rimozione del carico termico come parte della progettazione, è importante tenere conto di tutti i tubi flessibili, i raccordi, i collegamenti e le modifiche dell'elevazione che sono parte integrante del sistema. Queste caratteristiche ausiliarie possono aumentare significativamente i requisiti di pressione se non sono adeguatamente dimensionate.

Intervallo di temperatura ambiente
La capacità di un chiller raffreddato ad aria di dissipare il calore dipende dalla temperatura ambiente. Questo perché il sistema di refrigerazione utilizza il gradiente di temperatura dell'aria ambiente/refrigerante per indurre il trasferimento di calore per il processo di condensazione. Un aumento della temperatura dell'aria ambiente diminuisce il differenziale di temperatura (ΔT) e, di conseguenza, riduce il trasferimento di calore totale. Se il chiller utilizza un condensatore raffreddato a liquido, le alte temperature ambiente possono comunque avere effetti negativi sui componenti chiave come il compressore, la pompa e l'elettronica. Questi componenti generano calore durante il funzionamento e temperature elevate ne riducono la durata. Come linea guida, la temperatura ambiente massima tipica per i chiller non omologati per installazione esterna è di 40 °C.

Vincoli di spazio
Per mantenere la corretta temperatura dell'aria ambiente, è importante fornire uno spazio adeguato per la circolazione dell'aria intorno al refrigeratore. Senza un flusso d'aria adeguato, il ricircolo di un volume di aria inadeguato lo riscalda rapidamente. Ciò influisce sulle prestazioni del refrigeratore e può potenzialmente danneggiare l'unità refrigeratrice.

La scelta di un chiller dimensionato correttamente è una decisione cruciale.

Un chiller sottodimensionato sarà sempre un problema: non sarà mai in grado di raffreddare correttamente le apparecchiature di processo e la temperatura dell'acqua di processo non sarà stabile.

Al contrario, un chiller sovradimensionato non sarà mai in grado di funzionare al massimo livello di efficienza e si rivela più costoso da gestire.

Per determinare le dimensioni corrette dell'unità per l'applicazione, è necessario conoscere l'energia termica che l'apparecchiatura di processo deve gestire, ovvero la variazione di temperatura tra l'acqua in ingresso e in uscita, espressa come ∆T.

La formula per il calcolo è:
energia termica al secondo (più comunemente nota come potenza) = portata massica× calore specifico × variazione di temperatura (∆T)'

Il calore specifico dell'acqua è nominalemente espresso come 4,2 kJ/kg K, ma se contiene una percentuale di additivi glicolici tale valore viene aumentato a 4,8 kJ/kg. K

Nota: 1K = 1°C e la densità dell'acqua è 1 ovvero 1 l di volume d'acqua = 1 kg di massa d'acqua.

Di seguito è riportato un esempio di applicazione della formula per determinare il chiller di dimensioni corrette in kW per gestire una portata d'acqua di 2,36 l/s (8,5 m3/h) con una variazione di temperatura di 5 °C: energia termica al secondo (kJ/s o kW) = 2,36 l/s (portata) X 5 °C (∆T) X 4,2 kJ /kg K (calore specifico dell'acqua), potenza del chiller richiesta = 49,6 kW.

In alternativa, il carico termico da raffreddare può essere già noto, nel qual caso la formula può essere adattata per determinare la differenza di temperatura (∆T) che può essere raggiunta con portate diverse (raggiungibile con pompe di diverse dimensioni).

Potrebbero esserci altre circostanze che possono influenzare la scelta della misura. La pianificazione di un'espansione futura dell'impianto, l'esposizione a temperature ambiente elevate o l'ubicazione ad altitudini elevate potrebbero portare alla specifica di un'unità di dimensioni diverse.

Nell'ultima generazione avanzata di chiller industriali, la facilità di manutenzione, la sicurezza operativa, il controllo intelligente e la connettività sono caratteristiche salienti dei loro progetti.

Ad esempio, sono costruiti con cappottature insonorizzate con grado di protezione IP54 che consentono ai chiller di funzionare all'interno o all'esterno, anche a temperature ambiente fino a -45 °C.

Sono progettati specificamente per un facile accesso ai componenti installati − impianti di refrigerazione nella parte anteriore e il gruppo di circolazione dell'acqua di raffreddamento nella parte posteriore. Gli ampi sportelli della cappottatura e il layout intelligente riducono i tempi di manutenzione e consentono una facile ispezione per evitare guasti.

I nuovi modelli innovativi sul mercato sono dotati di un'ampia gamma di dispositivi di sicurezza, come sensori di flusso e livello, sonde termiche, sonde di pressione, riscaldatori del carter e filtri, che consentono al refrigeratore di funzionare in sicurezza.

Inoltre, un sistema frigorifero completamente ermetico impedisce qualsiasi fuoriuscita di gas refrigerante e non richiede manutenzione. Le normative britanniche F-Gas richiedono tuttavia un'ispezione annuale e, per i sistemi frigoriferi di maggiore capacità, un'ispezione semestrale effettuata da un tecnico certificato F-Gas.La presenza di un relè di controllo della sequenza delle fasi garantisce che non vi sia alcun rischio di danneggiamento del compressore in caso di collegamento elettrico errato.In questi nuovi modelli, un controllore con touchscreen utilizza algoritmi ad alta efficienza energetica, integra tutti i sensori del chiller in un unico sistema e fornisce tempestivamente segnalazioni e avvisi in caso di scostamento dai parametri operativi previsti.

La connettività completa è garantita dalla funzionalità integrata di monitoraggio remoto intelligente, disponibile sui chiller con potenza pari o superiore a 11 kW.Questa funzione fornisce agli utenti i dati operativi della macchina in tempo reale, presentati in modo chiaro e intuitivo, al fine di assicurare la massima efficienza operativa.