La refrigerazione a biomassa

Paolo Colaiemma

maya@maya-airconditioning.com

Recentemente è stata messa sul mercato

una nuova serie di macchine frigorifere

ad assorbimento di piccola potenza,

alimentate ad acqua calda, impieganti

come fluido di lavoro una soluzione di

acqua e bromuro di litio. Le nuove unità

sono state concepite per l’utilizzo di

calore a bassa temperatura, con

applicazioni tipiche in impianti di

climatizzazione ambientale e di

processo industriale.

La temperatura dell’acqua calda

richiesta dal ciclo ad assorbimento è

compresa tra 70 °C e 95 °C. L’acqua

refrigerata è prodotta a temperatura

minima di 5,5 °C. La dissipazione del

calore dal circuito è ottenuta con la

circolazione di acqua negli scambiatori

dell’assorbitore e del condensatore. La

serie delle nuove macchine comprende

cinque unità di potenza frigorifera

nominale rispettivamente di 17,6 kW,

35 kW, 70 kW, 105 kW e 176 kW.

Essendo macchine modulari

compatibili tra di loro possono essere

installate in più unità combinate per

coprire diversi livelli di potenza.

Il presente lavoro è articolato

sull’analisi dei vari aspetti tecnici di

questa particolare serie di macchine.

Sono dapprima richiamati i principi del processo termodinamico, denominato ad assorbimento; indi

elencati i dati peculiari delle macchine ed illustrate le loro caratteristiche di funzionamento; si

forniscono poi utili suggerimenti sulla loro più idonea utilizzazione in impianti a biomassa, che

impiegano caldaie a legna, a cippato e a pellet; vengono infine riportate alcune considerazioni sull’uso

appropriato degli assorbitori in questa particolare applicazione.

Varrà rammentare che il cippato è un combustibile locale costituito da legno sotto forma di rami,

cime e scarti di segheria ridotti in piccoli pezzi. A seconda del legno utilizzato si ottengono diverse

classi di qualità.

I pellet sono costituiti da legno allo stato naturale. La segatura e i trucioli di piallatura ottenuti in

grandi quantità, come sottoprodotto dell’industria di lavorazione del legno, vengono compressi e

pellettizzati senza trattamento. Grazie all’elevata densità energetica e alle semplici possibilità di

fornitura e deposito, i pellet si rilevano combustibili idonei per impianti completamente automatici.

Il rifornimento dei pellet avviene mediante autocisterne che riempiono direttamente i depositi.

Principio di funzionamento dei gruppi ad assorbimento

Il principio di funzionamento dei gruppi analizzati è illustrato nella figura 1, in cui vengono

schematizzati i componenti principali della macchina e le varie fasi del processo.

Generatore

L’acqua di alimentazione riscalda, portandola all’ebollizione, la soluzione diluita di acqua e bromuro

di litio contenuta nel generatore. L’ebollizione libera vapore acqueo (refrigerante) e concentra la

soluzione di bromuro di litio. Questa viene raccolta e pre-raffreddata, passando attraverso lo

scambiatore di calore, prima di venire immessa nell’assorbitore.

Condensatore

Il vapore refrigerante perviene al condensatore dove condensa sulla superficie delle serpentine del

circuito di raffreddamento.

Il calore di condensazione è rimosso dall’acqua di raffreddamento ed espulso, normalmente attraverso

una torre evaporativa. Il liquido refrigerante, raccolto nel condensatore, passa quindi nell’evaporatore

attraverso un’apposita apertura.

Figura 1 - Ciclo frigorifero ad assorbimento e bilancio termico

All’interno del generatore

la soluzione diluita di LiBr

al 52% è portata

all’ebollizione. Il vapor

d’acqua prodotto fluisce al

condensatore ed il

separatore convoglia la

restante soluzione

concentrata al 56%

all’assorbitore, attraverso

lo scambiatore di calore.

Il processo è endotermico

(79-88 °C)

Il vapore prodotto viene

assorbito dalla soluzione

concentrata di LiBr, con

processo esotermico

(29-35 °C)

L’acqua depressurizzata

evapora a contatto con le

serpentine dell’acqua da

refrigerare. Ciò crea l’effetto

frigorifero (5-7 °C)

Il vapore caldo viene raffreddato

e condensato (29-35 °C)

Vapore

Vapore

Acqua

di raffreddamento

Acqua

refrigerata

8 kPa

0.7 kPa

Condensatore Acqua

calda

Acqua

Assorbitore Evaporatore

Generatore

Separatore

52% LiBr

Orifizio

56% LiBr

Scambiatore

di calore

Acqua

di raffr.

Pompa di

soluzione

WFC SC 30 Bilancio terrmico

Calore kW kW

Generatore in 150,6 Condensatore out 122,2

Evaporatore in 105,0

Assorbitore out 133,4

255,6 255,6

Evaporatore

La pressione esistente nell’evaporatore è assai più bassa di quella del generatore e del condensatore

per l’influenza esercitata dall’assorbitore. Per questo motivo il liquido refrigerante, una volta entrato

nell’evaporatore, bolle ed assorbe calore evaporando sulla superficie della serpentina del circuito

dell’acqua da refrigerare. Il vapore refrigerante ottenuto fluisce quindi nell’assorbitore.

Assorbitore

La bassa pressione nell’assorbitore è dovuta all’affinità chimica fra la soluzione concentrata di

bromuro di litio proveniente dal generatore ed il vapore acqueo che si forma nell’evaporatore. Il

vapore refrigerante viene assorbito dalla soluzione concentrata di bromuro di litio, mentre

quest’ultima lambisce la superficie della serpentina dell’assorbitore.

Il calore di condensazione e di diluizione è rimosso dall’acqua di raffreddamento. La soluzione diluita

di bromuro di litio è poi pre-riscaldata nello scambiatore di calore prima di ritornare nel generatore.

Bilancio termico

Allo scopo di quantificare le varie potenze in gioco, nel riquadro di figura 1) vengono riportati i valori

caratteristici del bilancio termico del ciclo riferiti al modello da 105 kW frigoriferi nominali.

E’ opportuno tener presente che la quantità di calore da smaltire in ambiente esterno risulterà,

ovviamente, la somma di quella di alimentazione, pari a 150,6 kW, più quella assorbita dall’ambiente

da refrigerare pari a 105 kW, in totale quindi 255,6 kW.

Il rapporto tra la potenza dissipata e quella frigorifera prodotta è pari a 2,43. Ciò significa che per

ogni kW frigorifero prodotto si dovranno smaltire nell’ambiente 2,43 kW termici.

Il rapporto tra la potenza frigorifera erogata dalla macchina, pari a 105 kW, e quella termica fornita

alla stessa, pari a 150,6 kW, quantifica le sue prestazioni. Il valore di efficienza del gruppo,

denominato COP (Coefficient Of Performance) è, nel caso in esame, pari a 0,7. In altri termini per

produrre 1 kW frigorifero saranno necessari 1,43 kW termici.

Specifiche tecniche

Nella tabella 1 vengono riportate le specifiche tecniche degli assorbitori presi in esame.

Le potenze frigorifere nominali per le cinque unità proposte sono rispettivamente di 17,6 kW, 35 kW,

70 kW, 105 kW e 176 kW.

L’acqua refrigerata è prodotta a 7 °C, con ritorno alla macchina a 12,5 °C. È possibile variare la

temperatura di erogazione tra un minimo di 5,5 °C ed un massimo di 15,5 °C, fermo restando il valore

di salto termico fra la temperatura di mandata e quella di ritorno di 5,5 °C.

La potenza da dissipare è rispettivamente di 42,7 kW, 85,4 kW, 171 kW, 256 kW e 428 kW con

temperature dell’acqua di raffreddamento in uscita di 35 °C e di ingresso alla macchina di 31 °C.

La potenza assorbita è nell’ordine pari a 25,1 kW, 50,2 kW, 100,4 kW, 150,6 kW e 252 kW con

temperature di lavoro di 88 °C in entrata e di 83 °C in uscita.

L’intervallo delle temperature dell’acqua di alimentazione utilizzabile è compreso tra i 70 °C ed i 95

°C. Le prestazioni delle macchine risulteranno ovviamente influenzate dal livello di temperatura

utilizzato, come appare evidente dall’analisi delle curve di funzionamento appresso riportate.

Da notare la ridottissima potenza elettrica assorbita per l’azionamento delle unità rispettivamente pari

a 48 W, 210 W, 260 W, 310 W e 590 W. Questi valori, ovviamente, non tengono conto della potenza

elettrica richiesta per il funzionamento delle apparecchiature di circolazione dei fluidi di lavoro

(acqua di alimentazione ed acqua refrigerata) e per lo smaltimento del calore (acqua di

raffreddamento).

Tabella 1 - Specifiche tecniche degli assorbitori considerati

Modello WFC

SC 5

WFC

SC 10

WFC

SC 20

WFC

SC 30

WFC

SC 50

Potenza frigorifera kW 17,6 35,2 70,3 105,6 175,8 A

cqu

a re

frig

erat

a Temperatura Ingresso °C 12,5

Uscita °C 7

Perdite di carico kPa 52,6 56,1 65,8 70,1 40,2

Pressione massima di

lavoro kPa 588

Portata nominale l/s 0,77 1,53 3,06 4,58 7,64

Volume serpentine l 8 17 47 73 120

Acq

ua

raff

redd

amen

to

Potenza dissipata kW 42,7 85,5 171 256 427

Temperatura Ingresso °C 31

Uscita °C 35

Perdita di carico kPa 38,3 85,3 45,3 46,4 41,2

Fattore sporcamento

M2hr°K/kW 0,086

Pressione massima di

lavoro kPa 588

Portata nominale l/s 2,55 5,1 10,2 15,3 25,5

Volume serpentine l 37 66 125 194 335

Acq

ua

cald

a

Potenza assorbita kW 25,1 50,2 100,4 150,6 251

Temperatura

Ingresso °C 88

Uscita °C 83

Range °C Minimo 70 – Massimo 95

Perdita di carico kPa 95,8 90,4 46,4 60,4 85,2

Pressione massima di

lavoro kPa 588

Portata nominale l/s 1,2 2,4 4,8 7,2 12

Volume serpentine l 10 21 54 84 170

Alimentazione

elettrica

Alimentazione elettrica

220V

1 fase

50Hz

400V 3 fasi 50Hz

Potenza assorbita W 48 210 260 310 590

Intensità di corrente A 0,22 0,43 0,92 1,25 2,6

Controllo Refrigerazione ON - OFF

Dimensioni

Larghezza mm 594 760 1.060 1.380 1.785

Profondità mm 744 970 1.300 1.545 2.060

Altezza (compresa piastra

di fissaggio / vite di livel.) mm 1786 1.983 2.116 2.130 2.223

Peso A vuoto kg 365 500 930 1.450 2.100

In esercizio kg 420 604 1.156 1.801 2.725

Rumorosità Livello sonoro dB(A) a 1 metro 46 46 49 46 57

Diametro

tubazioni (A)

Circuito acqua refrigerata mm 32 40 50 50 80

Circuito acqua di

raffreddamento mm 40 50 50 65 80

Circuito acqua calda mm 40 40 50 65 80

Armadio

Impermeabile idoneo ad installazione all’aperto,

dotato di pannellature di acciaio zincato verniciato

color alluminio.

Figura 2 - Curve caratteristiche di prestazione dell’assorbitore di potenza frigorifera nominale pari a 105 kW

Curve caratteristiche di prestazione

Le prestazioni di ogni singola macchina vengono evidenziate dalle relative curve caratteristiche. Nella

figura 2 sono illustrate quelle dell’unità WFC-SC 30. Per le stesse varranno le seguenti

considerazioni, valide peraltro per tutta la gamma delle apparecchiature.

Tenendo fissa la temperatura dell’acqua refrigerata prodotta, pari a 7 °C, la potenza frigorifera erogata

è fortemente influenzata dalle temperature dell’acqua di raffreddamento o meglio di dissipazione e

dalla temperatura dell’acqua di alimentazione. Si otterranno valori di potenza più elevati, infatti,

diminuendo la temperatura dell’acqua di raffreddamento oppure aumentando quella di alimentazione.

La temperatura dell’acqua di raffreddamento, che comunque non può scendere sotto il valore di 24

°C per evitare fenomeni di cristallizzazione della soluzione di lavoro, è dettata, nel caso di utilizzo di

torri evaporative, dalla temperatura a bulbo umido dell’aria esterna, caratteristica della località

d’installazione.

La temperatura dell’acqua di alimentazione non può eccedere, sulle unità considerate, i 95 °C, per

motivi di sicurezza operativa, risultando la temperatura limite di progetto della macchina pari a 100

°C. Essa, peraltro, può scendere a valori molto bassi, scontando per contro forti flessioni di potenza.

Da ultimo è stato illustrato sempre nella figura 2) l’andamento del fattore di penalizzazione della

potenza frigorifera per riduzione della portata dell’acqua di alimentazione, fermi restando i rimanenti

parametri caratteristici di funzionamento.

I valori ottenibili dai grafici illustrati nella figura 2) possono essere utilizzati per ipotizzare differenti

condizioni di funzionamento della macchina, anche se i risultati ottenibili debbono essere considerati

solamente indicativi.

Per quanto riguarda le curve caratteristiche di prestazione delle altre unità della serie si rimanda al

sito www.maya-airconditioning.com

Schemi di impianto

Gli schemi concettuali di impianto illustrati nelle figure 3 e 4 prevedono l’utilizzo di una caldaia a

biomassa e di un assorbitore alimentato ad acqua calda.

La configurazione di figura 3 schematizza un sistema di distribuzione a 4 tubi atto a soddisfare carichi

di riscaldamento e di refrigerazione.

Il circolatore CP1 può essere omesso e la pompa P1 può assolvere le necessità di distribuzione

dell’acqua refrigerata, se opportunamente dimensionata.

Il circolatore CP2 può essere duplicato allo scopo di provvedere, ad esempio, alla distribuzione di

acqua calda sia per il riscaldamento ambientale sia, attraverso opportuno scambiatore, per le necessità

sanitarie.

Il sistema a 4 tubi ipotizzato può soddisfare una regolazione a zone ed un controllo dell’umidità

relativa dell’aria.

Lo stesso offre sostanziali vantaggi rispetto al sistema a 2 tubi, appresso illustrato, anche se risulta

più costoso. Lo schema prevede una caldaia con un bruciatore modulante atta a soddisfare tutto il

carico di riscaldamento e di raffrescamento.

Le necessità di riscaldamento e di raffrescamento possono essere soddisfatte simultaneamente

secondo le condizioni di esercizio a zone prescritte.

Nello schema è prevista una torre evaporativa chiusa. Poiché la qualità dell’acqua ed il suo

trattamento richiedono pur sempre una particolare attenzione, le torri chiuse offrono una soluzione

idonea alla salvaguardia dell’assorbitore.

Figura 3 - Schema di impianto a 4 tubi con condensazione operata mediante torre evaporativa

La figura 4 illustra uno schema di impianto a biomassa, che si differenzia dal precedente

essenzialmente per due motivi. Il primo è costituito dal sistema di distribuzione, che in questo caso è

a 2 tubi. Il secondo invece è dato dal sistema di smaltimento del calore operato mediante l’impiego

di acqua a perdere.

La distribuzione a 2 tubi è atta a soddisfare sia i carichi di riscaldamento, sia quelli di refrigerazione,

ma non simultaneamente. Qualora si debba operare in modalità riscaldamento la pompa P1 verrà

disattivata e la valvola MV1 devierà il flusso d’acqua all’utenza, escludendo l’assorbitore, tramite

l’azionamento della pompa P3. Contestualmente sul ritorno la valvola MV2 convoglierà il flusso

d’acqua al collettore.

In modalità raffrescamento la pompa P3 provvederà all’alimentazione dell’assorbitore, la pompa P1

al carico di utenza e la pompa P2 allo smaltimento del calore.

Per quanto riguarda il raffreddamento con acqua a perdere, anche nel caso di acqua prelevata da

roggia o da fiume, la cui disponibilità in linea teorica, risulta essere illimitata, sussistono problemi di

approvvigionamento e di inquinamento termico, come di seguito precisato. E’ comunque

indispensabile tener presente che gli assorbitori in esame, come già precedentemente segnalato,

impongono temperature di condensazione comprese tra i 24 °C ed i 31 °C. Per contro, la temperatura

di prelievo dell’acqua a perdere è normalmente compresa tra i 12 °C ed i 18 °C. Si dovrà, quindi,

miscelare parte dell’acqua ambiente, a temperatura inferiore, mediamente a 15 °C, con acqua

ricircolata dallo scambiatore a temperatura superiore, mediamente a 32 °C, mediante azionamento

della valvola MV3 di figura.

Assorbitore

Figura

Il sistema di regolazione

Di seguito, con riferimento agli schemi di figura 3 e 4, viene illustrato il sistema di controllo del

funzionamento delle macchine.

Nella tabella delle specifiche tecniche sono riportate le funzioni di regolazione ON-OFF. Nella

modalità ON un termostato (WT1) posizionato sulla mandata dell’acqua refrigerata comanda, in

funzione della temperatura di questa, la pompa dell’acqua calda di alimentazione P3.

Le temperature standard di regolazione sono le seguenti:

- avvio della pompa dell’acqua calda alla temperatura dell’acqua refrigerata in uscita dalla

macchina di 10,5 °C;

- arresto della stessa pompa alla temperatura dell’acqua refrigerata in uscita di 6,5 °C.

Le temperature sopra indicate (set point) possono essere modificate, senza peraltro alcuna possibilità

di cambiamento del differenziale di temperatura delle stesse.

Questa caratteristica permette di impostare sulle unità una regolazione a step control fissando

differentemente in cascata i set point delle singole macchine in installazioni di più unità combinate;

L’utilizzo dei gruppi può così essere modulato in funzione delle variazioni del carico.

Per la refrigerazione la macchina richiede l’operatività della pompa P1 dell’acqua refrigerata, della

pompa P2 dell’acqua di raffreddamento e della pompa P3 dell’acqua calda di alimentazione. Nel

normale funzionamento la pompa P3 dell’acqua calda di alimentazione e la pompa P2 dell’acqua di

raffreddamento operano comandate dal termostato (WT1), posizionato sull’uscita dell’acqua

refrigerata. Di conseguenza se la temperatura dell’acqua refrigerata si abbassa sino a valori di 6,5 °C

o meno, le pompe P2 e P3 si arrestano.

La pompa P1 dell’acqua refrigerata, viceversa, rimane operativa e di conseguenza provvede alla

domanda variabile del sistema. Se la temperatura dell’acqua refrigerata mossa dalla pompa P1 sale a

10,5 °C le pompe P2, P3 si riavviano immediatamente.

Assorbitore

Figura 4 - Schema di impianto a 2 tubi con condensazione operata mediante acqua a perdere

L’operatività della macchina verrà così pienamente ristabilita. Può quindi affermarsi che l’unità in

realtà non è mai stata messa fuori servizio dal termostato (WT1): essa è stata semplicemente esclusa

dall’alimentazione, assecondando il carico di refrigerazione richiesto dal sistema.

Con la macchina fuori servizio OFF, con segnalazione STOP sul pannello di controllo della CPU,

anche la pompa P1 cessa di operare. Tale stato consiste ovviamente nella completa inattività di

funzionamento dell’unità.

Lo smaltimento del calore

Come sopra accennato, per la corretta funzionalità della macchina, è necessario smaltire in ambiente

esterno una quantità di calore somma di quello di alimentazione della macchina stessa, più quello

assorbito nella refrigerazione.

Nel caso dell’unità in esame WFC-SC 30 la potenza da dissipare risulterà pari a 256,6 kW somma di

quella di alimentazione pari a 150,6 kW e di quella assorbita nella refrigerazione pari a 105 kW.

Un sistema comunemente utilizzato per rigettare calore in atmosfera è quello di predisporre ampie

superfici di scambio termico con l’aria ambiente, in modo che questa, sempre che si trovi ad una

temperatura inferiore, lo possa sottrarre alla macchina. Detto sistema di raffreddamento è detto ad

aria od anche a secco.

Quando l’aria ambiente non è sufficientemente fredda, oppure per diminuire le superfici di scambio,

il calore può essere smaltito anche utilizzando acqua, prelevandola relativamente fredda

dall’ambiente esterno (roggia, pozzo, fiume e così via) e restituendola poi più calda allo stesso

ambiente esterno. Il raffreddamento ad acqua è più efficiente di quello ad aria, sia perché l’acqua è

usualmente a temperatura inferiore di quella dell’aria, sia perché il suo coefficiente di scambio

termico è più elevato. Per contro l’acqua risulta meno conveniente per i suoi alti costi ed il suo

impiego è sempre meno consentito dalle amministrazioni locali per le implicazioni ambientali

connesse all’inquinamento termico delle acque pubbliche.

Figura 5 - Azienda agricola Cescon Giuseppe e Antonella SS, Chiarano (TV).

Assorbitore da 70 kW in impianto alimentato con cippato ricavato da tralci di vite. L’acqua

refrigerata prodotta viene utilizzata sia per il termo-condizionamento delle vasche vino, sia per

la climatizzazione ambientale

Torri Evaporative

Per il rigetto del calore generato negli assorbitori, che utilizzano quale fluido di lavoro una miscela

di acqua e bromuro di litio, sono normalmente impiegate torri evaporative. La loro adozione è dovuta

principalmente al basso livello delle temperature di smaltimento imposto dall’assorbitore (31-35 °C).

Il funzionamento delle torri evaporative è basato sull’utilizzazione del calore latente di evaporazione

dell’acqua. Mettendo a contatto nella torre una portata d’acqua, finemente suddivisa, con una corrente

d’aria, una piccola quantità di acqua viene assorbita per evaporazione dalla corrente d’aria, sottraendo

il suo calore latente di evaporazione all’acqua restante.

L’acqua uscente dalla torre sarà appena un po’ meno in quantità, ma sensibilmente più fredda di

quella inizialmente entrante, ed il calore sottratto, come calore latente di evaporazione, risulterà

disperso nell’ambiente, sotto forma di vapore acqueo contenuto nella corrente d’aria uscente, la cui

umidità sarà, pertanto, aumentata rispetto all’aria entrante, normalmente sino alla saturazione.

Il calore sottratto all’acqua non dipende dalla temperatura a bulbo secco dell’aria entrante, ma

solamente da quella a bulbo umido. Ciò risulta importante in quanto, per umidità relativa inferiore al

100%, la temperatura a bulbo umido è inferiore a quella a bulbo secco (ad esempio con bulbo secco

di 32 °C ed umidità relativa pari al 52%, il bulbo umido è solo a 24 °C) e nei processi di

raffreddamento ci si può avvicinare a temperature sensibilmente inferiori rispetto a quelle ottenibili

utilizzando sistemi a secco.

La caratteristica peculiare delle torri evaporative è che il raffreddamento è ottenuto a spese di un

modesto consumo d’acqua (qualche % della portata in circolo), ma con un consumo di energia ridotto

rispetto ad un equivalente raffreddamento ad aria.

Il consumo d’acqua in una torre evaporativa è dato dalla somma di quello per evaporazione, di quello

per trascinamento delle gocce d’acqua nell’aria uscente (di solito nell’ordine dello 0,002% della

portata d’acqua circolante) e di quello di spurgo, variabile in funzione della qualità dell’acqua

utilizzata, con valori compresi fra il 30 ed il 100% del consumo d’acqua per evaporazione.

Per quanto riguarda lo spurgo va precisato quanto segue. La continua evaporazione dell’acqua

provoca un progressivo aumento, nell’acqua rimasta, della concentrazione di sali ed altre impurità,

anche di quelle assorbite dall’aria ambiente. Se non controllata, la concentrazione nell’acqua di

ricircolo di sali ed altri solidi disciolti aumenta molto rapidamente provocando incrostazioni depositi

e corrosioni, che pregiudicano il corretto funzionamento e la durata delle apparecchiature utilizzate.

Per limitare l’aumento di dette concentrazioni occorre effettuare uno spurgo, vale a dire uno

spillamento continuo realizzato a mezzo di una saracinesca posta possibilmente sulla tubazione di

entrata dell’acqua nella torre.

Nella tabella 2) sono riportate le specifiche tecniche delle torri evaporative da utilizzare in

accoppiamento agli assorbitori considerati nel presente lavoro.

Allo scopo di fornire un’idea dei valori in gioco, varrà segnalare che per l’assorbitore WFC-SC 30,

preso in esame, i valori massimi relativi ai consumi d’acqua risultano i seguenti: per evaporazione:

402 l/h; per trascinamento: 1,1 l/h; per spillamento: 402 l/h (valore massimo); per un totale massimo

quindi di 805 l/h.

Sistema di acqua a perdere

Come sopra accennato, soprattutto se le potenze in gioco sono limitate, può essere presa in

considerazione per lo smaltimento del calore anche acqua a perdere. Nel caso quindi di cospicue

disponibilità di acqua ambiente, prelevata ad esempio da roggia, da pozzo, da lago, da fiume, eccetera,

con l’interposizione di uno scambiatore per ragioni di sicurezza operativa, può essere adottato uno

schema quale quello illustrato nella figura 4.

Lo scambiatore lavorerà in controcorrente con temperature atte all’ottenimento di quella dettata dalla

condensazione, nel nostro caso 31°C (valore di targa), e la quantità d’acqua ambiente richiesta sarà

facilmente calcolabile con la formula 1) riportata di seguito.

Nel caso di utilizzo dell’assorbitore WFC-SC 30, supponendo ad esempio che la temperatura

dell’acqua disponibile sia di 15 °C, nota la quantità di calore da smaltire pari a 256,6 kW, risultando

il salto termico dell’acqua utilizzata di 16 °C (31 °C - 15 °C), si otterrà un impiego d’acqua pari a

13.789 l/h.

Dal confronto dei valori sopra riportati appare evidente la notevolissima differenza degli utilizzi di

acqua fra la soluzione con acqua a perdere 13,789 l/h e quella con torre evaporativa 805 l/h.

Modello PMS 6/65 ICT 3-63 ICT 4-54 ICT 4-66 ICT 4-59

Potenza resa kW 42,7 85,4 (51,2) 171 256 428

Acqua

Temperatura Ingresso °C 35

Uscita °C 31

Portata nominale l/s 2,55 5,12 10,2 15,3 25,5

Perdita di carico kPa 4 2,1 17,9 17,9 22,1

Bulbo umido °C 26 26 26 26 26

Acqua evaporata max l/m 1,11 2,12 4,5 6,7 11,2

Aria

Ventilatori n° 1 1 1 1 2

Potenza assorbita kW 0,55 0,7 (0,15) 1,5 2,2 2 x 1,5

Portata aria (max) mc/s 1,19 2,32 4,3 6,3 9,3

Alimentazione Elettrica 400V 3 fasi 50Hz

Motore 4 poli 4/8 poli 4 poli 4 poli 4 poli

Dimensioni

Larghezza mm 800 914 1216 1826 2731

Profondità mm 800 921 1226 1226 1226

Altezza mm 2110 1880 2312 (2414) 2617 (2719) 2616

Peso A vuoto kg 75 235 320 (365) 575 (620) 853

In esercizio kg 180 400 685 (730) 1085 (1130) 1592

Rumorosità Livello sonoro dB(A) a 3 metri in

campo libero rilevato sulla sommità 55,3 a 10 m 69 (62)* 76 (60)** 79 (68)**

84 (72)**

a 1,5 m

Diametro

tubazioni

Ingresso mm 50 80 100 100 100

Uscita mm 50 80 100 100 100

Reintegro mm 20 25 25 25 25

Troppo pieno mm 15 50 50 50 50

Scarico mm 20 50 50 50 50

Finiture

Pacco di scambio PVC

Rampa distribuzione acqua PVC

Ugelli spruzzatori acqua PP ABS ABS ABS ABS

Separatori di gocce PVC

Bacino Vetroresina Acciaio

zincato Z725

Acciaio

zincato Z725

Acciaio

zincato Z725

Acciaio

zincato Z725

Pannelli di rivestimento Vetroresina Acciaio

zincato Z725

Acciaio

zincato Z725

Acciaio

zincato Z725

Acciaio

zincato Z725

Ventilatore assiale Acciaio

zincato Alluminio

Nota *In parentesi valori in bassa velocità del ventilatore per unità ICT 3- 63

**In parentesi valori con l’adozione di ventilatore a bassa rumorosità per unità ICT 4-54, ICT 4-66 e ICT 4-59

Tabella 2 - Specifiche tecniche delle torri evaporative considerate

Scelta dei parametri operativi

Le varie considerazioni fatte finora

presuppongono che l’impianto sia stato ben

studiato per la specifica applicazione; in

particolare per quanto riguarda le singole

apparecchiature sia stata verificata

l’idoneità degli intervalli di temperatura e

delle portate dell’acqua calda utilizzata.

Un’ attenta progettazione dell’impianto

deve mirare ad un sostanziale recupero del

calore disponibile; ciò è particolarmente

necessario allorché questo viene per la

massima parte impiegato nell’assorbitore, la

cui alimentazione e le cui prestazioni sono

ad esso strettamente correlate. Una

disattenta valutazione delle portate e della

compatibilità delle temperature possono

rendere il sistema parzialmente inefficiente.

Si ipotizzi ad esempio che nel circuito

primario sia disponibile acqua a

temperature di mandata e di ritorno

prefissate. Ne consegue che anche nel

circuito secondario, quello di alimentazione

dell’assorbitore, siano teoricamente

disponibili le stesse temperature. Qualora

l’assorbitore fosse in grado di sfruttare tutto

il salto termico previsto dal primario, ne

risulterebbe un pieno utilizzo della potenza

termica disponibile. Va tenuto presente, per

contro, che gli assorbitori, qualora operino

con temperature di alimentazione inferiori a

quelle nominali, vengono sostanzialmente penalizzati. Tutto ciò si traduce praticamente in un parziale

utilizzo della potenza disponibile sul primario. L’energia termica inutilizzata può naturalmente essere

impiegata altrove. Tuttavia il calore a disposizione potrebbe essere stato considerato completamente

convertibile nel progetto e, come sopra accennato, se lo stesso non è totalmente fruibile ne risulterà

una cospicua riduzione della potenza frigorifera ottenibile.

La massima potenza ricavabile si registra in ogni caso allorché la portata del circuito secondario

risulta la stessa del circuito primario. Le valutazioni necessarie al dimensionamento del sistema

dovranno basarsi sui valori rilevabili dalle curve caratteristiche di prestazione del singolo modello di

assorbitore considerato. In figura 2) sono riportate quelle relative al WFC SC 30, di potenza

frigorifera pari a 105 kW. Servirà in aggiunta l’ausilio della formula 1) sotto riportata, che regola i

rapporti fra i vari parametri in gioco in un circuito idraulico.

P = C ∆T Q (1)

dove:

P = potenza termica scambiata (kW)

C = calore specifico dell’acqua, pari a 4,187 (kWs/°C l)

∆T= differenziale di temperatura dell’acqua (°C)

Q = portata volumetrica dell’acqua (l/s)

Figura 6 - Caldaia a pellet da 80 kW utilizzata in accoppiamento

ad un assorbitore WFC SC 10 per la climatizzazione della

Renewable Energy House a Bruxelles. L’edificio è sede delle

Associazioni comunitarie impegnate nel settore delle energie

rinnovabili.

La procedura da seguire risulterà la seguente:

Fissata la temperatura dell’acqua di alimentazione e la temperatura dell’acqua di raffreddamento, per

valori di portata di targa dell’acqua di alimentazione, dalle curve a) e b) della figura 2) si potranno

ricavare le potenze frigorifera erogata e quella termica assorbita.

Dalla formula 1), note la potenza assorbita e la portata utilizzata si potrà calcolare il salto termico

dell’acqua nel circuito di alimentazione, valore questo eventualmente necessario al dimensionamento

dello scambiatore di interfaccia fra circuito primario e secondario.

Qualora si adotti, a parità di temperatura dell’acqua di alimentazione, una portata ridotta rispetto a

quella di targa si potrà utilizzando la curva c) di figura 2), ricavare il fattore di penalizzazione della

potenza erogata e di quella assorbita. Nota quest’ultima, dalla formula 1) si potrà, determinare il

differenziale di temperatura dell’acqua nel circuito di alimentazione.

Per l’ottenimento dei vari valori in gioco, in luogo delle procedure sopra indicate, piuttosto laboriose,

è possibile utilizzare un programma di calcolo computerizzato appositamente elaborato.

Gli esempi sotto riportati chiariranno meglio quanto sopra asserito.

Esempi di valutazione delle prestazioni

Per un confronto dei risultati è risultato opportuno servirsi della stessa macchina per ogni singola

valutazione. Quella presa in esame è stata la WFC SC 30.

I valori ottenuti sono stati opportunamente arrotondati.

Primo esempio

Il primo esempio è costituito dalla macchina operante secondo i valori di targa, che come riportato

nella tabella 1) sono;

temperatura acqua calda di alimentazione 88 °C

portata acqua calda di alimentazione 7,2 l/s

temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 °C

A fronte di tali parametri, dalle curve di prestazione si otterrà:

Pf potenza frigorifera erogata 105 kW

Pt potenza termica assorbita 150 kW

temperatura acqua calda in uscita 83 °C

La temperatura dell’acqua calda in uscita è stata ricavata utilizzando la formula 1), che ha evidenziato

un ∆T di 5°C.

Secondo esempio

Si ipotizzi di operare con acqua disponibile a 88 °C, con ritorno a 78 °C.

Alimentando la macchina con acqua a 88 °C, con la portata nominale di 7,2 l/s, si otterrà un

differenziale di temperatura dell’acqua, come sopra riportato, di soli 5 °C. Allo scopo di incrementare

questo differenziale, si renderà necessario diminuire la portata. Procedendo per successive riduzioni

si individuerà nel valore di 2,8 l/s quello che produce nella macchina un salto termico di 10 °C. La

portata di 2,8 l/s, che corrisponde a circa il 40% di quella nominale, causa come si può rilevare dalla

curva c) di figura 2), un fattore di penalizzazione dello 0,8 delle potenze di targa. Ne risulterà quindi

una potenza erogata di 84 kW ed una corrispondente potenza assorbita di 120 kW.

I parametri di funzionamento della macchina saranno in questo caso:

temperatura acqua calda di alimentazione 88 °C

portata acqua calda di alimentazione 2,8 l/s

temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 °C

Con produzione di:

Pf potenza frigorifera erogata 84 kW

Pt potenza termica assorbita 120 kW

temperatura acqua calda in uscita 78 °C

Dal confronto con i dati del primo esempio si può dedurre quanto segue.

L’incremento del differenziale di temperatura dell’acqua da 5 °C a 10 °C ha causato una riduzione

della potenza erogata di 21 kW (da 105 kW a 84 kW), pari a circa il 20%, con conseguente riduzione

della potenza termica assorbita di 30 kW (da 150 kW a 120 kW), sempre pari al 20%.

Terzo esempio

Si valutino ora le prestazioni dell’assorbitore operante con il valore massimo di temperatura

consentito per l’acqua di alimentazione, pari a 95 °C, sempre con portata di targa di 7,2 l/s e

temperatura di condensazione di 31 °C.

In questo caso le condizioni operative risulteranno le seguenti:

temperatura acqua calda di alimentazione 95 °C

portata acqua calda di alimentazione 7,2 l/s

temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 °C

A fronte delle quali si otterrà:

Pf potenza frigorifera erogata 120 kW

Pt potenza termica assorbita 190 kW

temperatura acqua calda in uscita 88,7 °C

Rispetto ai valori di targa, l’incremento del livello di temperatura di 7 °C (da 88 °C a 95 °C) dell’acqua

utilizzata ha prodotto una maggiore potenza erogata di 15 kW (120 kW meno 105 kW), pari ad un

aumento del 15% circa.

I dati di questo esempio relativi alle prestazioni della macchina, ricavati col programma di calcolo

computerizzato, sono riportati nella scheda sotto illustrata.

Scheda di prestazione WFC SC 30

per

temperatura acqua calda di alimentazione 95 °C

portata acqua calda di alimentazione 7,2 l/s

temperatura di ingresso acqua di raffreddamento 31 °C

Conclusioni

Dagli esempi sopra considerati si possono trarre le seguenti conclusioni.

Le prestazioni conseguibili sono fortemente influenzate dal livello entalpico dell’acqua utilizzata e

dalle variazioni di entalpia che la stessa subisce nel passaggio nella macchina. Il primo dei due valori

è individuato dalla temperatura massima dell’acqua di alimentazione, il secondo dal differenziale di

temperatura prodottosi nel circuito.

La massima prestazione dell’assorbitore, a parità di ogni altra condizione di funzionamento, è

conseguibile adottando, per l’alimentazione, la portata di targa. Ciò in quanto, a portata ridotta

corrisponde un salto termico dell’acqua maggiore e quindi un sua maggiore variazione entalpica.

Nel caso si progetti l’utilizzo di cascami di calore per l’azionamento esclusivo di un assorbitore, si

dovrà dimensionare il recuperatore in modo tale che questo lavori ai massimi livelli di temperatura

ottenibili, adottando le portate di targa dell’assorbitore considerato. La potenza termica recuperata

potrà in tal modo essere completamente convertita in freddo.

Qualora invece si consideri un impianto a recupero termico esistente, si dovrà verificare la

compatibilità delle temperature, delle portate, e delle potenze in gioco, in quanto come evidenziato

dagli esempi sopra illustrati, non è possibile asservire completamente l’assorbitore al sistema termico

già operante.

I valori di funzionamento, per condizioni diverse da quelle di targa, possono essere ricavati dalle

curve caratteristiche di prestazione, oppure, richiedendo all’indirizzo e-mail

maya@maya-airconditioning.com le schede di prestazione del tipo sopra illustrato.

Va tenuto presente al riguardo che l’effetto moltiplicativo prodotto dalla contemporanea adozione di

differenti parametri operativi può generare risultati non pienamente attendibili. In altri termini, ciò

significa che i valori ottenuti variando più condizioni di esercizio debbono essere considerati solo

indicativi e, come tali quindi utilizzati.

Per ulteriori informazioni contattare:

Maya S.p.A.

Via Enrico Falck, 53

20151 Milano MI

Tel: +39 02 290 60 290 - Fax: +39 02 290 04 036

Email: maya@maya-airconditioning.com

www.maya-airconditioning.com

Milano, 8/2017