La domanda su cosa sia un chiller si presenta a quasi chiunque si occupi di controllo della temperatura all'interno di un impianto industriale. Nella sua definizione più essenziale, il chiller è un'unità di raffreddamento industriale che sottrae il calore prodotto da un processo o da una macchina e lo allontana dall'ambiente, fornendo così acqua raffreddata (o una miscela acqua-glicole) alla temperatura desiderata. Questo dispositivo, cuore delle applicazioni di raffreddamento industriale dell'acqua e di raffreddamento di processo, trasporta il calore da un punto a un altro grazie al ciclo di un fluido refrigerante. In questo articolo spieghiamo, a livello di base e con un linguaggio ingegneristico ma chiaro, che cos'è un chiller, come si sviluppa il ciclo frigorifero e come funziona un chiller.
Cos'è un chiller e a cosa serve
Un chiller è essenzialmente una macchina frigorifera: riceve l'acqua calda proveniente dal processo, ne sottrae il calore tramite il ciclo del fluido refrigerante e rinvia al processo l'acqua raffreddata. L'obiettivo è garantire che macchine, stampi o prodotti operino a una temperatura stabile e controllata. Quando la temperatura non viene mantenuta sotto controllo, la qualità del prodotto peggiora, i tempi di ciclo si allungano e la vita utile delle apparecchiature si riduce.
La differenza fondamentale tra un chiller e una classica torre di raffreddamento è che il chiller, utilizzando un ciclo frigorifero attivo, è in grado di portare l'acqua al di sotto della temperatura ambiente. Per questo motivo, nelle applicazioni di raffreddamento di processo che richiedono temperature precise e ripetibili, il chiller è spesso indispensabile.
Come funziona un chiller: il ciclo frigorifero
Per capire come funziona un chiller occorre comprendere il ciclo frigorifero, ossia il modo in cui il fluido refrigerante trasporta il calore cambiando continuamente stato all'interno di un circuito chiuso. Il ciclo ruota attorno a quattro componenti principali, che a turno comprimono, condensano, espandono ed evaporano il fluido refrigerante:
- Compressore: comprime il fluido refrigerante allo stato gassoso a bassa pressione, aumentandone pressione e temperatura; è il componente che mette effettivamente in moto il ciclo.
- Condensatore: cede all'aria o all'acqua il calore del gas ad alta temperatura, facendo condensare il fluido allo stato liquido.
- Valvola di espansione: abbassa bruscamente la pressione del fluido liquido, trasformandolo in una miscela fredda e a bassa pressione, pronta a evaporare.
- Evaporatore: il fluido freddo evapora sottraendo il calore all'acqua del circuito dell'acqua refrigerata; è il punto in cui l'acqua viene effettivamente raffreddata. Successivamente il vapore ritorna al compressore e il ciclo ricomincia.
Questo ciclo chiuso in quattro fasi si ripete senza interruzioni. Il calore viene trasferito nell'evaporatore dall'acqua al fluido refrigerante e nel condensatore dal fluido all'ambiente esterno (all'aria o all'acqua di condensazione). Nei chiller industriali il fluido refrigerante che alimenta il ciclo è nella maggior parte dei casi R407C, mentre in alcuni modelli è R134a. La differenza di pressione tra la valvola di espansione e il compressore determina la direzione e l'efficienza di questo trasferimento di calore.
Circuito dell'acqua refrigerata e lato processo
Mentre il ciclo frigorifero riguarda il fluido refrigerante, sul lato impianto il lavoro vero e proprio è svolto dal circuito dell'acqua refrigerata. L'acqua raffreddata nell'evaporatore viene inviata, per mezzo di una pompa, agli stampi, agli scambiatori di calore o alle macchine; qui assorbe il calore del processo, ritorna riscaldata al chiller e viene nuovamente raffreddata. In questo circuito d'acqua chiuso, la differenza tra le temperature di mandata e di ritorno dell'acqua, ovvero il ΔT (delta-T), è la grandezza fondamentale che indica quanto calore trasporta il sistema.
Nelle applicazioni che richiedono basse temperature o che presentano rischio di congelamento, all'acqua viene aggiunta una determinata percentuale di glicole; ciò impedisce il congelamento del fluido, ma ne modifica in parte la capacità di trasporto del calore. La corretta progettazione del circuito dell'acqua refrigerata, la portata della pompa e la scelta del ΔT sono importanti quanto il ciclo frigorifero per un funzionamento stabile ed efficiente del chiller.
Principali tipi di chiller
I chiller si suddividono in alcuni gruppi principali in base all'ambiente in cui smaltiscono il calore al condensatore e al loro principio di funzionamento. Anche la gamma di prodotti Planer comprende questi tipi fondamentali:
- Chiller ad aria: smaltisce il calore del condensatore direttamente nell'aria per mezzo di ventilatori. Non richiede torre di raffreddamento; l'installazione e la gestione sono relativamente semplici.
- Chiller ad acqua: cede il calore del condensatore all'acqua di condensazione, che di solito viene raffreddata da una torre di raffreddamento. È indicato per impianti ad alta capacità e a funzionamento continuo.
- Dry Cooler (raffreddatori a secco): raffreddano l'acqua o la miscela acqua-glicole soltanto con l'aria, senza ciclo di raffreddamento meccanico; in condizioni favorevoli di aria esterna rappresentano una soluzione economica.
- Chiller ibrido: unisce in un unico sistema il ciclo di raffreddamento meccanico e il free cooling (raffreddamento libero); quando l'aria esterna è sufficientemente fresca, riduce il carico del compressore diminuendo il consumo energetico.
Nell'approccio ibrido, in presenza di un clima favorevole e di basse temperature dell'aria esterna, il free cooling entra in funzione e può garantire un notevole risparmio energetico durante tutto l'anno. Quale sia il tipo corretto dipende invece dalla temperatura di processo, dalla capacità e dal clima in cui si trova l'impianto.
In quali settori si utilizzano i chiller
I chiller si incontrano in quasi tutti i comparti industriali che hanno necessità di raffreddamento di processo. Il denominatore comune è l'esigenza di allontanare in modo controllato il calore prodotto da un processo e di mantenere stabile la temperatura. I principali ambiti di impiego sono i seguenti:
- Plastica: raffreddamento di stampi e prodotti nelle macchine per stampaggio a iniezione ed estrusione, riduzione del tempo di ciclo.
- Alimentare e bevande: raffreddamento di processo e di prodotto nelle linee di produzione e confezionamento.
- Metallo: raffreddamento delle apparecchiature nei processi di saldatura, fusione, lavorazione e induzione.
- Chimica: controllo della temperatura di reazione e sicurezza di processo.
- Industria generale: laser, stampa, dispositivi medicali e un'ampia gamma di applicazioni analoghe.
Comprendere che cos'è un chiller e come si sviluppa il ciclo frigorifero è il primo passo per scegliere il sistema corretto; il calcolo della capacità e il confronto tra i tipi sono invece argomenti a sé. Per individuare la soluzione chiller più adatta alla vostra applicazione e progettare correttamente il vostro circuito dell'acqua refrigerata, potete rivolgervi al team di ingegneria Planer e richiedere una valutazione in base alle vostre esigenze.