Componenti di un circuito frigorifero industriale e dei chiller industriali: una guida completa

Sei un professionista che necessita di smaltimento di calore dai fluidi di processo? O sei semplicemente curioso di come funziona la tecnologia dietro il mantenimento delle temperature controllate nei processi industriali? In ogni caso, questa guida è perfetta per te. In questo articolo, ci immergiamo nel funzionamento interno di un circuito frigorifero industriale e, in generale, dei chiller industriali: sveleremo i componenti essenziali che fanno funzionare questi sistemi.

1. Introduzione: chiller industriali e circuito frigorifero

Garantire temperature controllate con precisione è spesso cruciale per la qualità dei prodotti, l’efficienza energetica e la sicurezza degli impianti: per questo i chiller industriali, completi di adeguati circuiti frigoriferi, assumono un ruolo cruciale perché i processi di un’azienda metalmeccanica funzionino perfettamente.

Un chiller industriale è un sistema di raffreddamento che utilizza un ciclo frigorifero per sottrarre calore da un processo o da un ambiente e trasferirlo all’esterno. Leggerai spesso che il chiller agisce come una “pompa di calore inversa”: infatti, essa assorbe calore da un lato e la rilascia dall’altro.

A differenze di altre tecnologie di raffreddamento (quali torri evaporative e dry cooler), i chiller industriali permettono di raggiungere temperature in output anche sotto quella di bulbo umido dell’area di installazione: questo grazie al cosiddetto raffreddamento meccanico, consentito dal circuito frigorifero.

2. I componenti principali di un circuito frigorifero industriale

Fatta questa premessa, possiamo venire al nostro elenco dei componenti di un circuito frigorifero industriale.

Possiamo innanzitutto raggruppare tali componenti principali in quattro categorie principali:

• componenti di evaporazione (evaporatore),
• componente di compressione (il compressore),
• componente di condensazione (il condensatore),
• componente di regolazione (valvola di laminazione).

Ed ecco qui in dettaglio i principali componenti di un impianto di refrigerazione industriale, corredati da una opportuna descrizione.

• Evaporatore: è lo scambiatore di calore primario. Qui il gas refrigerante assorbe il calore dall’ambiente esterno (nel caso del chiller dal liquido di processo acqua e/o acqua/glicole, altro), facendolo evaporare da uno stato liquido a uno gassoso.
• Valvola di espansione: meglio definita come “valvola di laminazione”, spesso chiamata “termostatica”, è un dispositivo indispensabile al fine di un corretto funzionamento del chiller. Regola il flusso del refrigerante in base al carico termico, assicurando che il refrigerante stesso assorba tutto il calore proveniente dal processo. Mediante la valvola di laminazione viene assicurato il corretto surriscaldamento del refrigerante.
• Compressore: è il “motore” del circuito frigorifero. Aumenta la pressione del refrigerante a bassa temperatura, in uscita dall’evaporatore, in maniera “meccanica” attraverso diversi sistemi meccanici in funzione della tipologia di compressore. Questo aumento di pressione provoca anche un aumento della temperatura del refrigerante. È grazie al lavoro del compressore se spesso il principio di funzionamento del chiller viene definito “raffreddamento meccanico”.
• Condensatore: è il secondo scambiatore di calore del sistema. Qui, il gas refrigerante (ad alta pressione e alta temperatura) rilascia il calore nell’ambiente circostante, condensandosi fino raggiungere nuovamente uno stato liquido. Esistono due tipi principali di condensatori: condensatori ad aria e condensatori ad acqua. Queste due tipologie di condensatori dividono anche i sistemi di refrigerazione in due grandi famiglie: i chiller condensati ad aria e i chiller condensati ad acqua.

Di seguito ecco alcuni ulteriori componenti fondamentali, presenti quindi in ogni chiller di raffreddamento.

• Elettroventilatori: assicurano un flusso d’aria controllato attraverso il condensatore, favorendo la dissipazione del calore e migliorando l’efficienza del sistema.
• Serbatoi di accumulo: noti anche come puffer, sono serbatoi di stoccaggio che contengono acqua fredda o glicole. Aiutano a stabilizzare la temperatura dell’acqua in ingresso al chiller e riducono i picchi di carico, migliorando l’efficienza e la durata del sistema.
• Vaso di espansione: è un componente essenziale nei sistemi che utilizzano un circuito chiuso con acqua glicolata. Accoglie le variazioni di volume del liquido dovute alle fluttuazioni di temperatura, prevenendo sovrapressioni all’interno del sistema.

3. Oltre i componenti principali: componenti aggiuntivi di un chiller industriale

A seconda dell’applicazione e del produttore, un chiller di raffreddamento può includere componenti aggiuntivi.

• Strumenti di controllo e sicurezza: un circuito frigorifero industriale è dotato di vari strumenti di controllo e sicurezza per monitorare il funzionamento del sistema e prevenire guasti. Questi strumenti possono includere pressostati, termostati, interruttori di flusso e dispositivi di allarme.
• Separatore d’olio: In sistemi con compressori in cascata il separatore d’olio nei chiller contribuisce a garantire il corretto livello all’interno dei compressori stessi.
• Ricevitore del liquido: si tratta di un serbatoio che immagazzina il gas refrigerante liquido, in uscita dal condensatore. Aiuta a stabilizzare il flusso del refrigerante e fornisce una riserva di refrigerante per il sistema dal momento che il chiller di processo deve poter funzionare in condizioni diverse in funzione dei diversi ambienti di processo.
• Filtro deidratatore: questo componente ha la funzione di rimuovere l’umidità dal refrigerante. L’umidità può reagire con il refrigerante per formare acidi corrosivi, che possono danneggiare i componenti del circuito.
• Microprocessori elettrici: noti anche come controller, gestiscono e controllano il funzionamento del chiller. Regolano la velocità del compressore, la temperatura di mandata dell’acqua fredda e altri parametri per ottimizzare le prestazioni del sistema.
• Filtro acqua: rimuovono impurità e sedimenti dall’acqua in ingresso al chiller, proteggendo i componenti interni da danni e garantendo un funzionamento efficiente.
• Caricamento manuale del refrigerante: permette di aggiungere manualmente il refrigerante stesso al circuito in caso di perdite o di necessità di ricarica.
• By-pass manuale dell’acqua: ha la funzionalità di deviare il flusso d’acqua dal chiller. Questo può succedere durante la manutenzione o in caso di malfunzionamento.
• Sottoraffreddamento: Termine tecnicamente associato al trattamento del gas refrigerante all’interno del chiller. La presenza di sottoraffreddamento del gas in uscita dal condensatore assicura la completa trasformazione dallo stato vapore allo stato liquido del refrigerante garantendo le migliori performance ottenibili in termini di resa frigorifera.
• Modbus RTU per Industria 4.0: Il Modbus RTU è uno dei protocolli di comunicazione che permette di integrare il chiller in sistemi di automazione industriale e di monitorare e controllare il suo funzionamento da remoto.

Quelli che abbiamo appena visto sono naturalmente componenti opzionali: la scelta di chiedere al produttore di chiller industriali di includerli o meno nella progettazione del chiller dipende da diversi fattori. In primo luogo, diverse applicazioni richiedono livelli di controllo, efficienza e affidabilità differenti. Inoltre, sistemi più grandi possono beneficiare di componenti aggiuntivi che migliorano l’efficienza e la stabilità.

Non da ultimo, il budget a disposizione per il progetto: i componenti opzionali possono aumentare il costo iniziale del sistema, ma possono anche generare risparmi nel lungo termine attraverso una maggiore efficienza e una riduzione dei costi di gestione e di manutenzione del chiller di raffreddamento.

4. Differenza tra chiller condensati ad aria e chiller condensatori ad acqua

Due sono le grandi famiglie in cui possiamo dividere i chiller a compressione: ossia i chiller condensati ad aria sia i chiller condensati ad acqua. L’appartenenza a una delle due tipologie è naturalmente una conseguenza delle componenti interni che li costituiscono.

Chiariamo subito che entrambi svolgono la stessa funzione di espellere il calore dal refrigerante. Tuttavia, il modo in cui lo fanno è diverso.

• Chiller condensati ad aria: utilizzano ventole per far passare l’aria attraverso il condensatore, eliminando il calore nell’ambiente circostante. Sono generalmente più facili da installare rispetto ai chiller condensati ad acqua, ma possono essere meno efficienti in climi caldi.
• Chiller condensatori ad acqua: questi chiller utilizzano acqua fredda per assorbire il calore dal refrigerante nel condensatore. L’acqua viene quindi raffreddata in una torre di raffreddamento separata prima di essere ricircolata nel condensatore. I chiller condensatori ad acqua sono generalmente più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai chiller condensati ad aria, soprattutto in climi caldi, ma richiedono un’infrastruttura aggiuntiva come la torre di raffreddamento.

5. E per i ricambi? I fattori da considerare nella scelta dei componenti

La scelta dei componenti giusti per un circuito frigorifero industriale dipende da diversi fattori, tra cui:

• Capacità di raffreddamento richiesta: questo parametro determina la dimensione e la potenza del compressore, dell’evaporatore e del condensatore.
• Tipologia di applicazione: diversi utilizzi possono richiedere temperature e livelli di umidità specifici, il che influenza la scelta dei componenti.
• Efficienza energetica: la scelta di componenti ad alta efficienza può naturalmente ridurre i costi di gestione a lungo termine.
• Costo: il costo iniziale dei componenti deve essere bilanciato con i costi di gestione e manutenzione a lungo termine.

6. La manutenzione è fondamentale per il buon funzionamento

Un programma di manutenzione regolare è essenziale per garantire il corretto funzionamento e l’efficienza di un chiller industriale e del circuito frigorifero che esso impiega: una manutenzione preventiva aiuta a prevenire guasti, a prolungare la durata dei componenti e a ridurre i costi di gestione.

Un alleato prezioso in questo senso sono le piattaforme di gestione da remoto: i produttori di chiller industriali lo sanno e si stanno attrezzando per predisporre i propri macchinari al monitoraggio remoto in ottica “industria 4.0”.