Il raffreddatore a secco è uno dei componenti più semplici, ma anche più fraintesi, degli impianti di raffreddamento industriale. Il dry cooler non è altro che una batteria alettata che raffredda acqua o una miscela acqua-glicole utilizzando esclusivamente l'aria ambiente esterna, movimentata da ventilatori. Al suo interno non vi è alcun circuito frigorifero, né compressore, né consumo d'acqua: trasferisce il calore direttamente all'aria all'interno di un circuito completamente chiuso. In questo articolo spieghiamo che cos'è un dry cooler a livello di struttura e principio di funzionamento, chiarendo la differenza tra raffreddatore a secco e torre evaporativa e il punto in cui questo apparecchio si distingue dal chiller.
Che cos'è un raffreddatore a secco? Struttura e componenti
Il raffreddatore a secco è, in sostanza, un grande scambiatore di calore aria-liquido. Il suo cuore è costituito da una batteria alettata formata da tubi in rame rivestiti di alette in alluminio. Mentre il fluido di processo riscaldato attraversa l'interno della batteria, l'aria viene fatta passare forzatamente sulla superficie esterna e il calore viene ceduto all'aria attraverso le superfici metalliche. I componenti fondamentali sono i ventilatori assiali che movimentano l'aria, la struttura portante (costruzione verticale, orizzontale o a V), i collettori di raccolta e il controllo della velocità dei ventilatori.
Il termine "a secco" nel nome dell'apparecchio indica una distinzione cruciale: il raffreddamento avviene interamente per scambio di calore sensibile, cioè senza alcuna evaporazione tra liquido e aria. Il circuito è chiuso; l'acqua o la miscela acqua-glicole al suo interno non entra in contatto con l'aria esterna, non si contamina e non viene consumata. Ciò rende il raffreddatore a secco una soluzione a bassa manutenzione e priva di costi legati all'acqua.
Principio di funzionamento del raffreddatore a secco
Il principio di funzionamento del raffreddatore a secco è termodinamicamente essenziale. Il liquido riscaldato dal processo viene inviato alla batteria tramite una pompa. Man mano che i ventilatori fanno passare l'aria esterna attraverso la batteria, la temperatura del liquido diminuisce e il fluido raffreddato ritorna al processo. La temperatura minima raggiungibile del liquido dipende direttamente dalla temperatura a bulbo secco dell'aria esterna; in pratica il fluido può essere raffreddato fino a pochi gradi al di sopra della temperatura dell'aria esterna (differenza di avvicinamento, approach).
Questa dipendenza significa che la capacità del raffreddatore a secco varia in funzione della stagione e dell'ora. Nei giorni freddi le prestazioni sono elevate, mentre nelle calde mezzogiorni estive la temperatura del liquido raggiungibile aumenta. Per questo motivo i ventilatori sono generalmente a motore EC e a velocità variabile: mantengono la temperatura obiettivo del liquido contenendo il consumo energetico e il livello di rumore quanto necessario.
Differenza tra raffreddatore a secco e torre evaporativa
L'argomento più spesso confuso è la differenza tra raffreddatore a secco e torre evaporativa. Entrambi cedono calore all'aria esterna, ma i loro metodi sono radicalmente diversi. La torre evaporativa è un sistema aperto e raffredda facendo evaporare una parte dell'acqua; grazie a questa evaporazione l'acqua può scendere a valori prossimi alla temperatura a bulbo umido dell'aria esterna, ma in cambio consuma acqua in modo continuo e richiede reintegro d'acqua, condizionamento chimico e la gestione del rischio di Legionella. Il raffreddatore a secco, invece, funziona in circuito chiuso, senza evaporazione, unicamente per scambio di calore sensibile.
- Consumo d'acqua: la torre evaporativa consuma acqua di continuo e richiede reintegro; il raffreddatore a secco non consuma acqua.
- Tipo di circuito: la torre è generalmente a circuito aperto e mette l'acqua a contatto con l'aria; il raffreddatore a secco è a circuito completamente chiuso.
- Temperatura raggiungibile: la torre si avvicina alla temperatura a bulbo umido, il raffreddatore a secco a quella a bulbo secco.
- Manutenzione e igiene: la torre richiede condizionamento chimico e gestione del rischio biologico; nel raffreddatore a secco questi non esistono.
- Esercizio: il raffreddatore a secco viene protetto dal gelo in inverno con una miscela acqua-glicole e la gestione del rischio di congelamento è semplice.
Differenza dal chiller e ambiti di applicazione
La differenza fondamentale del raffreddatore a secco rispetto al chiller è l'assenza al suo interno di un circuito frigorifero e di un compressore. Il chiller, con il ciclo compressore-condensatore-valvola di espansione-evaporatore, può portare il liquido al di sotto della temperatura dell'aria esterna. Il raffreddatore a secco, invece, non può produrre una temperatura più fredda dell'aria esterna; la sua vera forza sta nel fatto che svolge il proprio lavoro non con l'energia elettrica, ma direttamente con l'aria ambiente, consumando così pochissima energia.
Queste caratteristiche determinano i tipici ambiti di applicazione del raffreddatore a secco:
- Stadio di free cooling (raffreddamento gratuito): quando l'aria esterna è sufficientemente fredda, escludere il compressore del chiller e affidare il raffreddamento al raffreddatore a secco.
- Raffreddamento dell'acqua di condensazione nei chiller raffreddati ad acqua: impiego di un raffreddatore a secco a circuito chiuso al posto della torre aperta.
- Raffreddamento diretto di processo: alimentare direttamente il processo con il raffreddatore a secco quando le condizioni dell'aria esterna sono favorevoli.
Il raffreddatore adiabatico per le giornate calde
L'unico limite del raffreddatore a secco è che la sua capacità dipende dalla temperatura dell'aria esterna. Per superare questo limite è stato sviluppato il raffreddatore adiabatico (raffreddatore a secco con pre-raffreddamento evaporativo). Nei sistemi adiabatici l'aria in ingresso alla batteria viene prima fatta passare attraverso pannelli inumiditi o superfici di nebulizzazione, raffreddandosi di alcuni gradi per evaporazione; in questo modo l'aria raggiunge la batteria a una temperatura più bassa e la capacità viene mantenuta nel picco estivo.
Poiché lo stadio adiabatico viene attivato solo nelle ore più calde e nella misura necessaria, l'acqua viene utilizzata solo in condizioni di picco e in quantità limitata. Così il vantaggio del basso consumo d'acqua del raffreddatore a secco viene in gran parte preservato, ottenendo prestazioni adeguate anche nei climi caldi.
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