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Pierfrancesco Fantoni
Introduzione
La sempre minore disponibilita' di risorse idriche che si e' verificata negli ultimi decenni, specie nei periodi estivi, impedisce di poter impiegare con larga diffusione impianti frigoriferi per il condizionamento con condensazione in acqua. Infatti, specie in estate, quando c e' la richiesta di una grande produzione di freddo, i condensatori devono rigettare notevoli quantita' di calore, richiedendo lutilizzo di portate dacqua assai cospicue per il loro raffreddamento. Data la scarsita' che si verifica particolarmente nel periodo estivo, lacqua calda in uscita dal condensatore non puo' essere mandata a perdere, sia per problemi legati al costo del suo approvvigionamento, sia per problemi di inquinamento ambientale.
Lidea su cui si basa il funzionamento della torre evaporativa e' quello di permettere di riciclare lacqua di raffreddamento del condensatore, mediante un suo opportuno abbassamento di temperatura. Dopo che lacqua e' stata riportata alla sua temperatura originaria puo' essere inviata nuovamente al condensatore per sottrargli dellaltro calore. In questo modo e' possibile godere dei vantaggi legati allimpiego dellacqua come fluido di raffreddamento dei condensatori ed attenuare i costi connessi al suo reperimento. La figura 1 mostra uno schema semplificato in cui una torre evaporativa viene impiegata abbinata ad un impianto frigorifero con condensatore ad acqua.
Esistono varie tipologie di torri evaporative. Tutte sono accomunate dallavere un principio di funzionamento simile, fondato sullo scambio di calore che avviene tra laria ambiente (che puo' avere un grado di umidita' piu' o meno elevato) e lacqua da raffreddare.
Principio di funzionamento della torre evaporativa
Lacqua calda proveniente dal condensatore deve essere raffreddata per poter essere impiegata nuovamente. Il suo raffreddamento non avviene mediante un impianto frigorifero (giacche' si entrerebbe in un circolo vizioso, dato che a sua volta suddetto impianto frigorifero necessiterebbe di un fluido di raffreddamento del condensatore) ma in maniera naturale mediante linsufflazione di aria alla temperatura ambiente allinterno di una pioggia di finissime goccioline formata dallacqua stessa che deve essere raffreddata. La torre evaporativa, solitamente, e' costituita da un involucro metallico vuoto montato al di sopra di una vasca. Allinterno della torre viene fatta fluire, in maniera naturale o tramite ventilatori, laria ambiente che scorre in controcorrente rispetto allacqua che piove dallalto. Lacqua viene polverizzata da appositi ugelli spruzzatori, in modo che possa raffreddarsi in maniera migliore ed uniforme. Durante tale doppio flusso, lacqua, a contatto dellaria, subisce un raffreddamento, trovandosi ad una temperatura superiore a quella dellaria ambiente. Da parte sua, laria acquista una certa percentuale di acqua sottoforma di umidita'. La figura 2 mostra i componenti principali di una torre di raffreddamento. Mentre laria che si e' riscaldata ed umidificata viene dispersa nellambiente, lacqua raffreddata viene raccolta in un bacino ed inviata nuovamente al condensatore per poter essere impiegata nuovamente.
Il raffreddamento dellacqua avviene a discapito dellevaporazione di una determinata quantita' di acqua stessa, che quindi deve essere opportunamente reintegrata dallesterno per garantire la medesima capacita' di raffreddamento del condensatore. Il reintegro serve anche per compensare leventuale quantita' di acqua che viene trascinata dalla corrente daria verso lesterno della torre.
Tipologie di torri evaporative
Se da un punto di vista dei componenti principali le torri evaporative non si diversificano sostanzialmente, e' possibile operare una distinzione tra di esse in base alle modalita' di flusso dellaria di raffreddamento ed alle apparecchiature impiegate per la sua movimentazione.
Il flusso dellaria puo' essere assiale incrociato oppure assiale in controcorrente. Nel primo caso laria fluisce in maniera perpendicolare rispetto allacqua che cade dagli spruzzatori posti in alto. Nel secondo caso, invece, laria e' guidata verticalmente verso lalto scorrendo in controcorrente rispetto allacqua, che si muove dallalto verso il basso.
La movimentazione dellaria puo' avvenire in maniera naturale o mediante lausilio di ventole. Le ventole possono essere del tipo premente o del tipo aspirante. Limpiego delle ventole diviene necessario quando la portata di acqua che viene spruzzata risulta consistente, tale da permettere con difficolta' la risalita verso lalto in maniera naturale dellaria di raffreddamento.
La combinazione delle diverse soluzioni, d luogo a diverse tipologie di torri evaporative. Quelle a tiraggio naturale, che non prevedono cioe' limpiego di una ventola per la movimentazione dellaria di raffreddamento, si differenziano nel tipo in controcorrente, a corrente trasversale ed a corrente mista. Nel primo tipo, come mostra la figura 3a, laria fluisce nella medesima direzione dellacqua, ma con verso opposto. Nel secondo tipo (figura 3b) laria fluisce nella sola direzione perpendicolare a quella dellacqua, mentre nellultimo tipo (figura 3c) il flusso dellaria risulta essere una combinazione delle due precedenti soluzioni, con flusso perpendicolare ed in controcorrente rispetto lacqua.
Nella figura 4 vengono mostrate le tipologie di torri a tiraggio forzato. Nella figura 4a la ventola lavora in aspirazione, risucchiando laria dal basso e convogliandola verso lalto. Nella figura 4b, invece, la ventilazione e' premente, in quanto laria viene spinta verso lalto dalle ventole posizionate nella parte inferiore della torre evaporativa. In questo caso la ventola deve trattare aria molto carica di umidita' e quindi deve possedere opportune caratteristiche di resistenza alla corrosione.
Figura 2 Elementi principali di una torre di raffreddamento evaporativa
Figura 3 Torri evaporative a tiraggio naturale
Figura 4 Torri evaporative a tiraggio forzato
Introduzione
Il punto chiave dellefficacia di funzionamento di una torre evaporativa sta nella parziale autoevaporazione dellacqua che viene raffreddata. Limpiego delle torri evaporative risulta conveniente nei processi di condizionamento delle acque sia per il ridotto costo che comporta sia per la sostanziale semplicita' di funzionamento. Fondamentalmente tale funzionamento si basa sullimpiego di due fluidi che consentono il rigetto di una determinata quantita' di calore: lentita' di tale calore e' un indice importante per determinare lefficienza del sistema nel suo complesso. I fluidi in gioco sono lacqua calda che deve essere raffreddata e laria ambiente, le cui caratteristiche termo-igrometriche sono rilevanti per lottenimento di un buon raffreddamento dellacqua. Grazie ad una torre evaporativa e' possibile diminuire la temperatura dellacqua anche di 70 80 C con consumi di energia ridotti rispetto ad altre forme di raffreddamento.
Gli impieghi piu' frequenti delle torri evaporative avvengono negli impianti di condizionamento, nelle industrie manifatturiere e negli impianti per la generazione di elettricita'. Le torri evaporative di dimensioni piu' grandi sono in grado di raffreddare quantita' dacqua anche di centinaia di migliaia di litri al minuto, essendo alimentate con tubazioni di diametro anche di 5 metri. Oggigiorno sono disponibili anche torri di piccole dimensioni, adatte per trattare portate dacqua di pochi litri al minuto. Esse vengono impiegate anche per piccoli impianti, laddove il ricorso ad altre tecnologie e' reso difficile dalla possibilita' di approvvigionarsi adeguatamente di acqua per il raffreddamento del condensatore dellimpianto frigorifero. Le piccole torri risultano essere molto economiche, leggere e di ridotte dimensioni. Di conseguenza sono facilmente trasportabili e possono essere installate con semplicita' anche in spazi ridotti. La figura 1 mostra un esempio di tali torri di piccole capacita'
Confronto in termini energetici tra diverse modalita' di rigetto del calore
Per comprendere in quale dimensioni si colloca lazione di rigetto del calore mediante una torre evaporativa, si puo' fare un semplice confronto tra le diverse possibilita' che esistono per ottenere la condensazione allinterno di un impianto frigorifero.
Supponendo una temperatura ambiente di 27 C, con umidita' dellaria del 80%, in un impianto frigorifero con condensazione in aria e' pensabile avere una temperatura di saturazione del refrigerante di circa 40 C, cui corrisponde una pressione di condensazione, supponendo di considerare un impianto funzionante con R410A, di circa 24 bar.
Se si sceglie di raffreddare il condensatore mediante acqua di pozzo a perdere, alla temperatura di +15 C, possiamo pensare che essa si riscaldi di circa 5 6 C transitl'ando dentro lo scambiatore. In maniera indicativa si puo' supporre che la temperatura di condensazione del refrigerante si collochi attorno a 25 26 C. A tale valore corrisponde una pressione di condensazione di poco piu' di 16 bar.
Mediante impiego di una torre evaporativa si puo' supporre, almeno in maniera teorica, che l'acqua che entra nel condensatore possa trovarsi ad una temperatura prossima alla temperatura a bulbo umido dell'aria, che solitamente risulta essere inferiore alla temperatura a bulbo secco. Alle condizioni supposte, cioe' aria a 27 C con umidita' relativa dell80%, la temperatura a bulbo umido corrispondente e' di circa 24 C. Sulla base di tali ipotesi e' lecito pensare che la temperatura dellacqua, che viene raffreddata nella torre evaporativa e che viene inviata al condensatore dellimpianto frigorifero, sia di 26 27 C. Anche in questo caso, supponendo un riscaldamento dellacqua di 5 6 C nel passaggio entro il condensatore, troviamo una temperatura di condensazione che si attesta attorno a 35 36 C, cui corrisponde una pressione dellR410A di circa 21 bar.
Come si puo' notare limpiego della torre evaporativa permette allimpianto frigorifero di funzionare con una pressione di condensazione che si colloca tra quella che si avrebbe con condensazione in aria e quella che si avrebbe impiegando acqua di pozzo. Quindi, da un punto di vista dei consumi energetici e delle sollecitazioni cui viene sottoposto il compressore, limpiego della torre evaporativa pare piu' vantaggioso rispetto alla condensazioni in aria, pur considerando i consumi aggiuntivi che occorre considerare per il funzionamento della torre e delle opere idrauliche connesse. Rispetto alla condensazione ad acqua, la torre evaporativa pare piu' svantaggiosa. Il confronto, per, va anche compiuto considerando il consumo di acqua che i due sistemi richiedono.
Se supponiamo di dover rigettare al condensatore una quantita' di calore pari a 300.000 kcal/h, e' necessario impiegare una quantita' pari a circa 60.000 litri di acqua allora, soggetta ad un riscaldamento di 5 C. Lestrazione di tale acqua dal pozzo richiede la spesa di una certa quantita' di energia, ma soprattutto impone di trovare una soluzione adeguata per il suo smaltimento.
Impiegando una torre evaporativa, invece, possiamo pensare che laria che viene impiegata per il raffreddamento si riscaldi da 27 a 30 C, con un salto entalpico di quasi 7 kcal/kg. Sotto tali ipotesi sono necessari quasi 45.000 kg di aria secca per il raffreddamento dellacqua. Considerando la variazione di umidita' dellaria durante il processo, dovuta allevaporazione di una parte dellacqua che deve essere raffreddata, si puo' stimare in poco piu' di 400 litri la quantita' di acqua che ogni ora deve essere reintegrata nella torre evaporativa. Appare evidente la notevole differenza che sussiste, in termini di quantita' dacqua necessaria, nel caso della torre evaporativa e della condensazione con acqua di pozzo a perdere.
Problematiche legate allimpiego dellacqua
Come nel caso dei condensatori evaporativi, anche per le torri di raffreddamento limpiego dellacqua in un circuito aperto puo' porre dei problemi di utilizzo. Tali problemi sono connessi alla gestione dellacqua prima, durante e dopo il passaggio allinterno della torre. La figura 2 mostra lesploso di una torre in cui e' possibile apprezzare il percorso dellacqua. Di norma, lacqua proveniente dal condensatore deve risultare pulita e di composizione normale. Nello stesso modo lacqua che esce dalla torre e che viene inviata allimpianto frigorifero deve essere filtrata per evitare che eventuali impurita' cadute nella vasca di raccolta dellacqua possano creare problemi nel circuito di ritorno. Lacqua che serve per reintegrare il quantitativo evaporato puo' necessitare di un opportuno trattamento anticalcare o antialghe, in funzione della sua provenienza, per evitare problemi ad alcuni componenti interni della torre. Sempre per quanto riguarda lacqua, puo' essere necessario installare una resistenza elettrica allinterno della vasca di raccolta dellacqua, in modo da evitare fenomeni di congelamento dellacqua stessa durante i periodi in cui la torre risulta non essere funzionante nei periodi di clima freddo.
Figura 1 Torre evaporativa, con corpo in resina poliestere rinforzata con fibra di vetro, di piccole dimensioni (da www-mita-tech.it).
Figura 2 Esploso di una torre evaporativa. Si puo' notare la conformazione del separatore di gocce (1) e del pacco scambiatore (3). La posizione (2) indica la tubazione di entrata dellacqua nella torre. (da www.mita-tech.it)