Chiller a compressione: cos’è e come funziona

Sono molto utilizzati per raffreddare edifici, impianti industriali e anche apparecchiature elettroniche, essendo tra i dispositivi più efficienti per lo smaltimento del calore e data la possibilità di raggiungere temperature molto basse del fluido di uscita. Ma cosa sono e come funzionano i chiller a compressione?

Queste sono alcune delle domande che si pongono le imprese rispetto ai chiller industriali.

• A cosa serve il chiller?
• Come funziona un chiller industriale? Come funziona un gruppo frigo industriale (che è lo stesso)?
• Come calcolare la potenza di un chiller?

Di base il chiller, o gruppo refrigerante o ancora gruppo frigorifero a compressione, è una macchina che utilizza un compressore meccanico per comprimere e pompare un fluido refrigerante attraverso un ciclo di raffreddamento.

Vediamo in dettaglio come questo avviene, insieme ad alcune nozioni base per il suo funzionamento.

1. Chiller industriali a compressione: facciamo chiarezza

Può sembrare scontato, ma è meglio chiarirlo subito: in questo articolo ci occuperemo dei chiller industriali che servono per il raffreddamento di fluidi di processo, con la possibilità di raggiungere temperature in output anche inferiori a quelle dell’ambiente circostanti (e a volte anche sotto lo zero Celsius).

La premessa è doverosa in quanto, nel linguaggio comune, con il termine “chiller” ci si riferisce spesso ai macchinari di produzione del freddo per il comfort domestico: ossia la “pompa di calore”, se il macchinario in questione gestisce sia il freddo sia il caldo.

Siamo quindi in un ambito differente: in questo articolo noi ci occupiamo naturalmente dei chiller a servizio degli impianti industriali.

2. Differenza tra chiller ad assorbimento e a compressione

Sia i chiller a compressione sia i chiller ad assorbimento hanno lo scopo di rimuovere il calore da acqua, aria o altri fluidi. La differenza risiede naturalmente nel meccanismo di raffreddamento utilizzato per tale scopo.

• Nel chiller a compressione, un ruolo importante è giocato dal compressore meccanico: come vedremo, questo componente ha lo scopo di comprimere il gas refrigerante. Allo scopo di rimuovere calore dal fluido, il gas compie più e più volte un vero e proprio ciclo.
• Invece, un chiller ad assorbimento sfrutta come refrigerante una miscela di acqua e bromuro di litio. L’evaporazione dell’acqua provoca la rimozione del calore dal fluido di processo. L’acqua stessa viene poi assorbita dalla soluzione di bromuro di litio. Successivamente, questa soluzione viene riscaldata per liberare l’acqua evaporata, che poi viene condensata e riutilizzata nel ciclo di raffreddamento. Non vi è quindi presenza alcuna di compressore.

In genere, la maggior parte delle industrie utilizza chiller a compressione per la refrigerazione dei propri fluidi. I chiller o refrigeratori ad assorbimento hanno tuttavia un loro utilizzo peculiare: la trigenerazione.

3. I due circuiti per il funzionamento del chiller a compressione

Veniamo dunque al funzionamento dei chiller a compressione.

Questo tipo di dispositivo per lo smaltimento di calore opera attraverso un gas refrigerante: il fluido di processo che deve essere raffreddato (acqua, acqua e glicole, o altro) entra in contatto con tale gas e gli cede calore. A sua volta, il refrigerante dovrà smaltire il calore “ricevuto”: questo attraverso il lavoro termico e meccanico dei diversi componenti del chiller.

Appare quindi evidenti come i circuiti da considera siano due:

• quello del fluido da raffreddare, peculiare di ogni processo, ma che deve sempre smaltire il calore per poter essere riutilizzato nella linea produttiva;
• e quello del gas refrigerante, che “preleva” calore dal fluido e deve smaltirlo per poter svolgere daccapo il suo scopo: questo è il ciclo frigorifero a compressione.

Vediamo come funzionano entrambi in dettaglio.

4. Il circuito del fluido da raffreddare

Come punto di partenza, consideriamo il fluido di processo che si è riscaldato in seguito al suo utilizzo nelle linee industriali. Quindi, va raffreddato dal chiller a compressione.

1. Il fluido caldo arriva all’interno della macchina attraverso il sistema idraulico ed entra a contatto del refrigerante freddo nello scambiatore di calore (o evaporatore).
2. Il fluido raffreddato che esce dal chiller viene inviato ai punti di utilizzo: le linee di processo industriale o il sistema di condizionamento d’aria.
3. Nello stesso tempo il refrigerante, che intanto si è riscaldato, viene inviato al compressore.

Quest’ultimo passaggio sarà tuttavia più chiaro dopo aver considerato il prossimo capitolo.

5. Il circuito del gas refrigerante: il ciclo frigorifero a compressione

Ecco invece come funziona il ciclo frigorifero a compressione, che caratterizza il gas (o anche “fluido”) refrigerante.

1. Il gas, riscaldato e allo stato liquido, viene immesso nel compressore: in questo componente, attraverso un sistema di dischi, si trasforma allo stato gassoso, aumentando pressione e temperatura.
2. Il fluido refrigerante viene così passato al condensatore: ossia un radiatore in cui l’aria esterna, tramite ventola elettronica, è spinta verso l’interno della macchina. Il gas condensa e contemporaneamente cede calore.
3. Quindi, il refrigerante passa attraverso una valvola di espansione o laminazione: perde pressione, si espande e diminuisce la sua temperatura.
4. A questo punto, nello scambiatore di calore o evaporatore, avviene il contatto tra la batteria, in cui circola il fluido da raffreddare, e il gas refrigerante: il fluido caldo trasferisce calore al gas, che quindi si surriscalda nuovamente.
5. Il gas refrigerante così surriscaldato viene inviato di nuovo al compressore per essere nuovamente compresso e così ricomincia il ciclo.

6. Il compressore meccanico: l’elemento “caratterizzante” del chiller a compressione

Da quanto detto sinora è chiaro qual è uno dei componenti principali di questo sistema e che fa sì che il fluido refrigerante “compia il suo lavoro”: il compressore meccanico. Tanto che molto spesso ci si riferisce alla refrigerazione di fluidi di processo (che non avviene tramite il già visto assorbimento) come al “raffreddamento meccanico”.

Questo in contrapposizione ad altre forme di raffreddamento dei fluidi di processo:

• evaporativo,
• adiabatico,
• a secco (o ad aria).

Due viti compongono l’interno del compressore. Esse sono posizionate in modo da spostare progressivamente il fluido refrigerante dalla zona di aspirazione a quella di mandata: il volume diminuisce, il gas viene compresso. Si tratta, come si vede, di un lavoro di tipo meramente meccanico.

7. Chiller a compressione condensati ad acqua o ad aria: differenze

Come abbiamo visto, passando attraverso il condensatore, il gas refrigerante si condensa e cede calore al sistema. Bisogna quindi capire come il sistema smaltisce questo calore.

Quindi, la differenza tra queste due tipologie di chiller, o refrigeratori, è presto detta:

• nei chiller ad acqua, il mezzo di dissipazione del calore è appunto la risorsa idrica. Questa viene poi inviata a una tecnologia di raffreddamento, ad esempio una torre evaporativa (che fornisce anche l’acqua di ricircolo);
• nei chiller ad aria, invece, l’aria calda proveniente dal ciclo frigorifero viene semplicemente aspirata da una ventola e dissipata nell’ambiente.

Naturalmente, entrambi i sistemi presentano vantaggi e criticità.

Un sistema ad acqua è indubbiamente più efficiente ed utilizza meno elettricità. Inoltre, può raggiungere temperature anche di molto sotto lo zero, ma necessitano naturalmente del supporto di tecnologie quali una torre di raffreddamento. Inoltre, la disponibilità della risorsa idrica è da mettere in conto. D’altra parte, un refrigeratore ad aria utilizza solo energia: in alcune regioni del mondo, è una scelta praticamente obbligata.

8. Come calcolare la potenza di un chiller?

Per calcolare la potenza di un chiller entrano in gioco molteplici fattori: in gioco ci sono molteplici fattori, relativi al singolo progetto.

Eccone alcuni:

• temperatura della zona di installazione,
• temperatura richiesta del fluido in uscita,
• disponibilità di acqua o aria.

I produttori di chiller industriali utilizzano sempre più spesso software di selezione e configurazione per inputare i diversi parametri ed ottenere la soluzione più vicina possibile alle esigenze del cliente. Come sempre, è però fondamentale avere un interlocutore competente e dotato di esperienza sul campo, che sappia porre le domande giuste al titolare o al responsabile dell’impianto da servire.

9. Gas refrigeranti: quali vengono usati e quali “funzionano meglio”

Un refrigerante spesso utilizzato nei chiller è gas R410A: una miscela di due gas (R32 e R125) gas energeticamente efficiente ma anche molto sicuro in caso di perdite, in quanto non tossico e non infiammabile. Spesso utilizzato è anche il refrigerante R513A, che ha un GWP (Global Warming Potential) più contenuto pur mantenendo buone performance.

Entrambi questi fluidi refrigeranti sono gas fluorurati: di conseguenza, secondo la normativa vigente, i circuiti frigo di chiller che li utilizzano devono essere manutenuti da tecnici frigoristi muniti di regolare patentino.

La tendenza è naturalmente quella ad utilizzare gas refrigeranti ad effetto serra sempre più limitato, in linea anche con le indicazioni per la neutralità climatica entro il 2050 indicata come obiettivo dalla Commissione Europea.

10. Funzionamento dei chiller a compressione: i segreti dei produttori

Abbiamo visto alcune nozioni base su come funzionano i chiller a compressione, attraverso una serie di componente e una scelta giusta del gas refrigerante.

Ecco invece alcuni “segreti dei costruttori di chiller” …

• Condensatore: la bravura dei chilleristi risiede in questo caso prima di tutto nel far sì che il gas venga condensato nel meglio dei modi. Questo attraverso una distribuzione uniforme in tutta la struttura di questo componente.
• Gruppo moto-ventilante: meglio se di tipo EC, “elettronicamente controllato”. Può gestire al meglio il numero e la velocità dei giri delle pale per ottimizzare l’utilizzo di energia elettrica.
• Chiller con free-cooling: nei refrigeratori dotati di questo dispositivo, e quando le condizioni ambientali e/o di progetto lo consentono, il raffreddamento del fluido può avvenire grazie alla sola azione dei ventilatori, con conseguenti consumi elettrici ridottissimi. Azionando questa modalità, il chiller lavora quindi come un dry cooler.