Principi di base del condizionamento dell’aria
Le torri evaporative
(Art 60, 61)

 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 l’utilizzo di portate d’acqua assai cospicue per il loro raffreddamento. Data la scarsita' che si verifica particolarmente nel periodo estivo, l’acqua 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.

L’idea su cui si basa il funzionamento della torre evaporativa e' quello di permettere di riciclare l’acqua di raffreddamento del condensatore, mediante un suo opportuno abbassamento di temperatura. Dopo che l’acqua e' stata riportata alla sua temperatura originaria puo' essere inviata nuovamente al condensatore per sottrargli dell’altro calore. In questo modo e' possibile godere dei vantaggi legati all’impiego dell’acqua 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 dall’avere un principio di funzionamento simile, fondato sullo scambio di calore che avviene tra l’aria ambiente (che puo' avere un grado di umidita' piu' o meno elevato) e l’acqua da raffreddare.

Principio di funzionamento della torre evaporativa

L’acqua 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 l’insufflazione di aria alla temperatura ambiente all’interno di una pioggia di finissime goccioline formata dall’acqua stessa che deve essere raffreddata. La torre evaporativa, solitamente, e' costituita da un involucro metallico vuoto montato al di sopra di una vasca. All’interno della torre viene fatta fluire, in maniera naturale o tramite ventilatori, l’aria ambiente che scorre in controcorrente rispetto all’acqua che piove dall’alto. L’acqua viene polverizzata da appositi ugelli spruzzatori, in modo che possa raffreddarsi in maniera migliore ed uniforme. Durante tale doppio flusso, l’acqua, a contatto dell’aria, subisce un raffreddamento, trovandosi ad una temperatura superiore a quella dell’aria ambiente. Da parte sua, l’aria acquista una certa percentuale di acqua sottoforma di umidita'. La figura 2 mostra i componenti principali di una torre di raffreddamento. Mentre l’aria che si e' riscaldata ed umidificata viene dispersa nell’ambiente, l’acqua raffreddata viene raccolta in un bacino ed inviata nuovamente al condensatore per poter essere impiegata nuovamente.

Il raffreddamento dell’acqua avviene a discapito dell’evaporazione di una determinata quantita' di acqua stessa, che quindi deve essere opportunamente reintegrata dall’esterno per garantire la medesima capacita' di raffreddamento del condensatore. Il reintegro serve anche per compensare l’eventuale quantita' di acqua che viene trascinata dalla corrente d’aria verso l’esterno 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 dell’aria di raffreddamento ed alle apparecchiature impiegate per la sua movimentazione.

Il flusso dell’aria puo' essere assiale incrociato oppure assiale in controcorrente. Nel primo caso l’aria fluisce in maniera perpendicolare rispetto all’acqua che cade dagli spruzzatori posti in alto. Nel secondo caso, invece, l’aria e' guidata verticalmente verso l’alto scorrendo in controcorrente rispetto all’acqua, che si muove dall’alto verso il basso.

La movimentazione dell’aria puo' avvenire in maniera naturale o mediante l’ausilio di ventole. Le ventole possono essere del tipo premente o del tipo aspirante. L’impiego delle ventole diviene necessario quando la portata di acqua che viene spruzzata risulta consistente, tale da permettere con difficolta' la risalita verso l’alto in maniera naturale dell’aria di raffreddamento.

La combinazione delle diverse soluzioni, d luogo a diverse tipologie di torri evaporative. Quelle a tiraggio naturale, che non prevedono cioe'  l’impiego di una ventola per la movimentazione dell’aria di raffreddamento, si differenziano nel tipo in controcorrente, a corrente trasversale ed a corrente mista. Nel primo tipo, come mostra la figura 3a, l’aria fluisce nella medesima direzione dell’acqua, ma con verso opposto. Nel secondo tipo (figura 3b) l’aria fluisce nella sola direzione perpendicolare a quella dell’acqua, mentre nell’ultimo tipo (figura 3c) il flusso dell’aria risulta essere una combinazione delle due precedenti soluzioni, con flusso perpendicolare ed in controcorrente rispetto l’acqua.

Nella figura 4 vengono mostrate le tipologie di torri a tiraggio forzato. Nella figura 4a la ventola lavora in aspirazione, risucchiando l’aria dal basso e convogliandola verso l’alto. Nella figura 4b, invece, la ventilazione e' premente, in quanto l’aria viene spinta verso l’alto 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 dell’efficacia di funzionamento di una torre evaporativa sta nella parziale autoevaporazione dell’acqua che viene raffreddata. L’impiego 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 sull’impiego di due fluidi che consentono il rigetto di una determinata quantita' di calore: l’entita' di tale calore e' un indice importante per determinare l’efficienza del sistema nel suo complesso. I fluidi in gioco sono l’acqua calda che deve essere raffreddata e l’aria ambiente, le cui caratteristiche termo-igrometriche sono rilevanti per l’ottenimento di un buon raffreddamento dell’acqua. Grazie ad una torre evaporativa e' possibile diminuire la temperatura dell’acqua 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' d’acqua 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 d’acqua 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 dell’impianto 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 l’azione di rigetto del calore mediante una torre evaporativa, si puo' fare un semplice confronto tra le diverse possibilita' che esistono per ottenere la condensazione all’interno 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 dell’80%, la temperatura a bulbo umido corrispondente e' di circa 24 C. Sulla base di tali ipotesi e' lecito pensare che la temperatura dell’acqua, che viene raffreddata nella torre evaporativa e che viene inviata al condensatore dell’impianto frigorifero, sia di 26 27 C. Anche in questo caso, supponendo un riscaldamento dell’acqua 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 dell’R410A di circa 21 bar.

Come si puo' notare l’impiego della torre evaporativa permette all’impianto 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, l’impiego 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 all’ora, soggetta ad un riscaldamento di 5 C. L’estrazione 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 l’aria 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 dell’acqua. Considerando la variazione di umidita' dell’aria durante il processo, dovuta all’evaporazione di una parte dell’acqua 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' d’acqua necessaria, nel caso della torre evaporativa e della condensazione con acqua di pozzo a perdere.

Problematiche legate all’impiego dell’acqua

Come nel caso dei condensatori evaporativi, anche per le torri di raffreddamento l’impiego dell’acqua in un circuito aperto puo' porre dei problemi di utilizzo. Tali problemi sono connessi alla gestione dell’acqua prima, durante e dopo il passaggio all’interno della torre. La figura 2 mostra l’esploso di una torre in cui e' possibile apprezzare il percorso dell’acqua. Di norma, l’acqua proveniente dal condensatore deve risultare pulita e di composizione normale. Nello stesso modo l’acqua che esce dalla torre e che viene inviata all’impianto frigorifero deve essere filtrata per evitare che eventuali impurita' cadute nella vasca di raccolta dell’acqua possano creare problemi nel circuito di ritorno. L’acqua 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 l’acqua, puo' essere necessario installare una resistenza elettrica all’interno della vasca di raccolta dell’acqua, in modo da evitare fenomeni di congelamento dell’acqua stessa durante i periodi in cui la torre risulta non essere funzionante nei periodi di clima freddo.

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 dell’acqua nella torre. (da www.mita-tech.it)