Refrigeratore - Chiller

Refrigeratore raffreddato a liquido York International

Un refrigeratore è una macchina che rimuove il calore da un liquido di raffreddamento tramite cicli di compressione del vapore , refrigerazione ad adsorbimento o refrigerazione ad assorbimento . Questo liquido può quindi essere fatto circolare attraverso uno scambiatore di calore per raffreddare l'attrezzatura o un altro flusso di processo (come aria o acqua di processo). Come sottoprodotto necessario, la refrigerazione crea calore di scarto che deve essere smaltito in ambiente o, per una maggiore efficienza, recuperato per il riscaldamento. I refrigeratori a compressione di vapore possono utilizzare diversi tipi di compressori. I più comuni oggi sono i compressori ermetici scroll, semiermetici a vite o centrifughi. Il lato di condensazione del refrigeratore può essere raffreddato ad aria o ad acqua. Anche quando raffreddato a liquido, il refrigeratore è spesso raffreddato da una torre di raffreddamento a tiraggio indotto o forzato . I refrigeratori ad assorbimento e ad adsorbimento richiedono una fonte di calore per funzionare.

L'acqua refrigerata viene utilizzata per raffreddare e deumidificare l' aria in strutture commerciali, industriali e istituzionali di medie e grandi dimensioni. I refrigeratori d'acqua o di liquido possono essere raffreddati a liquido, ad aria o per evaporazione. I sistemi raffreddati ad acqua oa liquido possono fornire vantaggi in termini di efficienza e impatto ambientale rispetto ai sistemi raffreddati ad aria.

Uso in aria condizionata

Un refrigeratore di liquido (a base di glicole) con condensatore raffreddato ad aria sul tetto di un edificio commerciale di medie dimensioni

Negli impianti di condizionamento , il refrigerante refrigerato, solitamente acqua refrigerata miscelata con glicole etilenico , proveniente da un refrigeratore in un impianto di condizionamento o raffreddamento è tipicamente distribuito a scambiatori di calore, o serpentine , in unità di trattamento dell'aria o altri tipi di dispositivi terminali che raffreddano l'aria in i rispettivi spazi. L'acqua viene quindi fatta ricircolare al refrigeratore per essere nuovamente raffreddata. Queste serpentine di raffreddamento trasferiscono il calore sensibile e il calore latente dall'aria all'acqua refrigerata, raffreddando e solitamente deumidificando il flusso d'aria. Un tipico refrigeratore per applicazioni di condizionamento dell'aria è valutato tra 50  kW (170 mila  BTU / h ) e 7 MW (24 milioni di BTU/h), e almeno due produttori (York International e LG) possono produrre refrigeratori fino a 21 MW (72 milioni di BTU/h) raffreddamento. Le temperature dell'acqua refrigerata (in uscita dal refrigeratore) generalmente variano da 1 a 7 °C (da 34 a 45 °F), a seconda dei requisiti dell'applicazione. Comunemente, i refrigeratori ricevono acqua a 12°C (temperatura in entrata) e la raffreddano a 7°C (temperatura in uscita).

Quando i refrigeratori per i sistemi di condizionamento dell'aria non sono utilizzabili o necessitano di riparazione o sostituzione, è possibile utilizzare refrigeratori di emergenza per fornire acqua refrigerata. I refrigeratori a noleggio sono montati su un rimorchio in modo che possano essere rapidamente installati nel sito. I grandi tubi dell'acqua refrigerata vengono utilizzati per il collegamento tra i refrigeratori a noleggio e i sistemi di condizionamento dell'aria.

Uso nell'industria

Nelle applicazioni industriali, l'acqua refrigerata o altro liquido refrigerante dal refrigeratore viene pompato attraverso apparecchiature di processo o di laboratorio. I refrigeratori industriali sono utilizzati per il raffreddamento controllato di prodotti, meccanismi e macchinari di fabbrica in un'ampia gamma di settori. Sono spesso utilizzati nelle industrie della plastica, stampaggio a iniezione e soffiaggio, oli da taglio per la lavorazione dei metalli, attrezzature per saldatura, pressofusione e macchine utensili, lavorazione chimica, formulazione farmaceutica, lavorazione di alimenti e bevande, lavorazione della carta e del cemento, sistemi sottovuoto, X- diffrazione dei raggi, alimentatori e stazioni di generazione di energia con turbine a gas (vedi Raffreddamento ad aria in ingresso alla turbina#Chiller a compressione di vapore ), apparecchiature analitiche, semiconduttori, aria compressa e raffreddamento del gas. Sono anche utilizzati per raffreddare articoli specializzati ad alto calore come macchine per risonanza magnetica e laser e in ospedali, hotel e campus.

I refrigeratori per applicazioni industriali possono essere centralizzati, dove un singolo refrigeratore serve più esigenze di raffreddamento, o decentralizzati, dove ogni applicazione o macchina ha il proprio refrigeratore. Ogni approccio ha i suoi vantaggi. È anche possibile avere una combinazione di refrigeratori sia centralizzati che decentralizzati, soprattutto se i requisiti di raffreddamento sono gli stessi per alcune applicazioni o punti di utilizzo, ma non tutti.

L'acqua refrigerata viene utilizzata per raffreddare e deumidificare l' aria in strutture commerciali, industriali e istituzionali (CII) di medie e grandi dimensioni. I refrigeratori di liquido possono essere raffreddati a liquido, ad aria o per evaporazione. I refrigeratori raffreddati ad acqua oa liquido incorporano l'uso di torri di raffreddamento che migliorano l'efficacia termodinamica dei refrigeratori rispetto ai refrigeratori raffreddati ad aria. Ciò è dovuto alla dispersione del calore alla o vicino alla temperatura di bulbo umido dell'aria piuttosto che alla temperatura di bulbo secco più alta, a volte molto più alta. I refrigeratori raffreddati per evaporazione offrono efficienze più elevate rispetto ai refrigeratori raffreddati ad aria, ma inferiori rispetto ai refrigeratori raffreddati a liquido.

I refrigeratori raffreddati a liquido sono generalmente destinati all'installazione e al funzionamento interni e sono raffreddati da un circuito separato dell'acqua del condensatore e collegati a torri di raffreddamento esterne per espellere il calore nell'atmosfera.

I refrigeratori raffreddati ad aria e per evaporazione sono destinati all'installazione e al funzionamento all'aperto. Le macchine raffreddate ad aria sono raffreddate direttamente dall'aria ambiente che viene fatta circolare meccanicamente direttamente attraverso la batteria del condensatore della macchina per espellere il calore nell'atmosfera. Le macchine raffreddate per evaporazione sono simili, tranne per il fatto che implementano una nebbia d'acqua sulla batteria del condensatore per favorire il raffreddamento del condensatore, rendendo la macchina più efficiente di una tradizionale macchina raffreddata ad aria. In genere non è richiesta alcuna torre di raffreddamento remota con nessuno di questi tipi di refrigeratori monoblocco raffreddati ad aria o raffreddati per evaporazione.

Ove disponibile, l'acqua fredda prontamente disponibile nei corpi idrici vicini potrebbe essere utilizzata direttamente per il raffreddamento, sostituire o integrare le torri di raffreddamento. Il sistema di raffreddamento a sorgente d'acqua profonda a Toronto, Ontario , Canada , ne è un esempio. Utilizza l'acqua fredda del lago per raffreddare i refrigeratori, che a loro volta vengono utilizzati per raffreddare gli edifici della città tramite un sistema di teleraffreddamento . L'acqua di ritorno viene utilizzata per riscaldare l'approvvigionamento di acqua potabile della città, il che è auspicabile in questo clima freddo. Ogni volta che lo smaltimento del calore di un refrigeratore può essere utilizzato per uno scopo produttivo, oltre alla funzione di raffreddamento, è possibile un'efficienza termica molto elevata.

Tecnologia del refrigeratore a compressione di vapore

Un refrigeratore a compressione di vapore utilizza in genere uno dei quattro tipi di compressore: compressione alternativa , compressione scroll , compressione a vite e compressione centrifuga sono tutte macchine meccaniche che possono essere alimentate da motori elettrici , vapore o turbine a gas . L'utilizzo di motori elettrici in una configurazione semiermetica o ermetica è il metodo più comune per azionare i compressori poiché i motori elettrici possono essere efficacemente e facilmente raffreddati dal refrigerante, senza richiedere alimentazione di carburante o ventilazione di scarico e non sono necessarie guarnizioni dell'albero poiché il motore può operano nel refrigerante, riducendo la manutenzione, le perdite, i costi operativi e i tempi di fermo, anche se talvolta vengono utilizzati compressori aperti. Producono il loro effetto di raffreddamento tramite il ciclo Rankine inverso , noto anche come compressione del vapore. Con lo smaltimento del calore del raffreddamento evaporativo , i loro coefficienti di prestazione (COP) sono molto alti; tipicamente 4.0 o più.

POLIZIOTTO

L'attuale tecnologia dei refrigeratori a compressione di vapore si basa sul ciclo "reverse-Rankine" noto come compressione di vapore. Vedere lo schema allegato che delinea i componenti chiave del sistema di refrigerazione.

Diagramma che mostra i componenti di un refrigeratore raffreddato a liquido
Lo scambiatore di calore a fascio tubiero che trasferisce il calore dal refrigerante all'acqua che viene fatta circolare attraverso la torre di raffreddamento e respinge il calore.

Componenti chiave del refrigeratore:

I compressori frigoriferi sono essenzialmente una pompa per il gas refrigerante. La capacità del compressore, e quindi la capacità di raffreddamento del refrigeratore, è misurata in kilowatt in ingresso (kW), potenza assorbita in cavalli (HP) o flusso volumetrico (m 3 /h, ft 3 /h). Il meccanismo per la compressione del gas refrigerante differisce tra i compressori e ciascuno ha la propria applicazione. I compressori di refrigerazione comuni includono alternativi, scroll, a vite o centrifughi. Questi possono essere alimentati da motori elettrici, turbine a vapore o turbine a gas. I compressori possono avere un motore integrato di un produttore specifico o essere a trasmissione aperta, consentendo il collegamento a un altro tipo di connessione meccanica. I compressori possono anche essere ermetici (saldati chiusi) o semiermetici (imbullonati insieme).

Negli ultimi anni, l'applicazione della tecnologia dell'azionamento a velocità variabile (VSD) ha aumentato l'efficienza dei refrigeratori a compressione di vapore. Il primo VSD è stato applicato ai refrigeratori con compressore centrifugo alla fine degli anni '70 ed è diventato la norma con l'aumento del costo dell'energia. Ora, i VSD vengono applicati ai compressori rotativi a vite ea tecnologia scroll.

I condensatori possono essere raffreddati ad aria, a liquido o evaporativi. Il condensatore è uno scambiatore di calore che consente al calore di migrare dal gas refrigerante all'acqua o all'aria. I condensatori ad aria sono realizzati con tubi di rame (per il flusso del refrigerante) e alette in alluminio (per il flusso dell'aria). Ogni condensatore ha un costo del materiale diverso e variano in termini di efficienza. Con i condensatori di raffreddamento evaporativo, i loro coefficienti di prestazione (COP) sono molto alti; tipicamente 4.0 o più. I condensatori ad aria sono installati e azionati all'esterno e sono raffreddati con aria esterna, che spesso viene forzata attraverso il condensatore mediante elettroventilatori . I condensatori ad acqua oa liquido sono raffreddati con acqua che spesso viene a sua volta raffreddata da una torre di raffreddamento .

Il dispositivo di espansione o dispositivo di misurazione del refrigerante (RMD) limita il flusso del refrigerante liquido provocando una caduta di pressione che vaporizza parte del refrigerante; questa vaporizzazione assorbe calore dal refrigerante liquido nelle vicinanze. L'RMD si trova immediatamente prima dell'evaporatore in modo che il gas freddo nell'evaporatore possa assorbire calore dall'acqua nell'evaporatore. Sul lato di uscita dell'evaporatore è presente un sensore per l'RMD che consente all'RMD di regolare il flusso di refrigerante in base ai requisiti di progettazione del refrigeratore.

Gli evaporatori possono essere del tipo a piastre oa fascio tubiero. L'evaporatore è uno scambiatore di calore che consente all'energia termica di migrare dal flusso d'acqua al gas refrigerante. Durante il cambio di stato del liquido rimanente in gas, il refrigerante può assorbire grandi quantità di calore senza cambiare temperatura.

Come funziona la tecnologia di assorbimento

Il ciclo termodinamico di un refrigeratore ad assorbimento è pilotato da una fonte di calore; questo calore viene solitamente fornito al refrigeratore tramite vapore, acqua calda o combustione. Rispetto ai refrigeratori alimentati elettricamente, un refrigeratore ad assorbimento ha requisiti di potenza elettrica molto bassi, molto raramente un consumo combinato superiore a 15 kW sia per la pompa della soluzione che per la pompa del refrigerante. Tuttavia, i suoi requisiti di apporto di calore sono grandi e il suo COP è spesso da 0,5 (a singolo effetto) a 1,0 (a doppio effetto). Per la stessa capacità di raffreddamento, un refrigeratore ad assorbimento richiede una torre di raffreddamento molto più grande di un refrigeratore a compressione di vapore. Tuttavia, i refrigeratori ad assorbimento, dal punto di vista dell'efficienza energetica, eccellono laddove è facilmente disponibile calore di bassa qualità o calore di scarto. In climi estremamente soleggiati, l'energia solare è stata utilizzata per far funzionare i refrigeratori ad assorbimento.

Il ciclo ad assorbimento a singolo effetto utilizza l'acqua come refrigerante e il bromuro di litio come assorbente. È la forte affinità che queste due sostanze hanno l'una con l'altra che fa funzionare il ciclo. L'intero processo avviene in un vuoto quasi completo.

  1. Pompa della soluzione  : una soluzione diluita di bromuro di litio (concentrazione al 60%) viene raccolta sul fondo del guscio dell'assorbitore. Da qui, una pompa ermetica della soluzione sposta la soluzione attraverso uno scambiatore di calore a fascio tubiero per il preriscaldamento.
  2. Generatore  : Dopo essere uscita dallo scambiatore di calore, la soluzione diluita si sposta nel guscio superiore. La soluzione circonda un fascio di tubi che trasporta vapore o acqua calda. Il vapore o l'acqua calda trasferiscono il calore nella pozza di soluzione diluita di bromuro di litio. La soluzione bolle, inviando il vapore refrigerante verso l'alto nel condensatore e lasciandosi dietro il bromuro di litio concentrato. La soluzione concentrata di bromuro di litio scende nello scambiatore di calore, dove viene raffreddata dalla soluzione debole pompata fino al generatore.
  3. Condensatore  : Il vapore del refrigerante migra attraverso gli eliminatori di nebbia al fascio tubiero del condensatore. Il vapore del refrigerante si condensa sui tubi. Il calore viene sottratto dall'acqua di raffreddamento che si muove all'interno dei tubi. Quando il refrigerante si condensa, si raccoglie in un canale sul fondo del condensatore.
  4. Evaporatore  : il liquido refrigerante si sposta dal condensatore nel guscio superiore fino all'evaporatore nel guscio inferiore e viene spruzzato sul fascio tubiero dell'evaporatore. A causa del vuoto estremo del guscio inferiore [pressione assoluta di 6 mm Hg (0,8 kPa)], il liquido refrigerante bolle a circa 4 °C (39 °F), creando l'effetto refrigerante. (Questo vuoto è creato dall'azione igroscopica – la forte affinità che il bromuro di litio ha per l'acqua – nell'assorbitore direttamente sotto.)
  5. Assorbitore  : quando il vapore del refrigerante migra nell'assorbitore dall'evaporatore, la forte soluzione di bromuro di litio dal generatore viene spruzzata sulla parte superiore del fascio tubiero dell'assorbitore. La forte soluzione di bromuro di litio attira effettivamente il vapore del refrigerante nella soluzione, creando il vuoto estremo nell'evaporatore. L'assorbimento del vapore del refrigerante nella soluzione di bromuro di litio genera anche calore che viene rimosso dall'acqua di raffreddamento. Ora la soluzione diluita di bromuro di litio si raccoglie nella parte inferiore del guscio inferiore, dove scorre verso la pompa della soluzione. Il ciclo di abbattimento è ora completato e il processo ricomincia.

Tecnologia di refrigerazione industriale

I refrigeratori industriali in genere vengono forniti come sistemi completi, confezionati e a circuito chiuso, inclusi l'unità di raffreddamento, il condensatore e la stazione di pompaggio con pompa di ricircolo, valvola di espansione, arresto per assenza di flusso, controllo interno dell'acqua fredda. Il serbatoio interno aiuta a mantenere la temperatura dell'acqua fredda e previene il verificarsi di picchi di temperatura. I refrigeratori industriali a circuito chiuso fanno ricircolare un refrigerante pulito o acqua pulita con additivi condizionanti a temperatura e pressione costanti per aumentare la stabilità e la riproducibilità di macchine e strumenti raffreddati ad acqua. L'acqua scorre dal refrigeratore al punto di utilizzo dell'applicazione e viceversa.

Se le differenze di temperatura dell'acqua tra l'ingresso e l'uscita sono elevate, verrà utilizzato un grande serbatoio dell'acqua esterno per immagazzinare l'acqua fredda. In questo caso l'acqua refrigerata non va direttamente dal refrigeratore all'applicazione, ma va al serbatoio dell'acqua esterno che funge da sorta di "tampone termico". Il serbatoio dell'acqua fredda è molto più grande dell'acqua interna che va dal serbatoio esterno all'applicazione e l'acqua calda di ritorno dall'applicazione torna al serbatoio esterno, non al refrigeratore.

I meno comuni refrigeratori industriali ad anello aperto controllano la temperatura di un liquido in un serbatoio o pozzetto aperto facendolo ricircolare costantemente. Il liquido viene prelevato dal serbatoio, pompato attraverso il refrigeratore e riportato al serbatoio. Nei refrigeratori d'acqua industriali si utilizza il raffreddamento ad acqua invece del raffreddamento ad aria. In questo caso il condensatore non raffredda il refrigerante caldo con aria ambiente, ma utilizza acqua che viene raffreddata da una torre di raffreddamento . Questo sviluppo consente una riduzione del fabbisogno energetico di oltre il 15% e consente anche una significativa riduzione delle dimensioni del refrigeratore, grazie alla ridotta superficie del condensatore ad acqua e all'assenza di ventilatori. Inoltre, l'assenza di ventole consente livelli di rumorosità notevolmente ridotti.

La maggior parte dei refrigeratori industriali utilizza la refrigerazione come mezzo per il raffreddamento, ma alcuni si affidano a tecniche più semplici come l'aria o l'acqua che scorre su bobine contenenti il ​​refrigerante per regolare la temperatura. L'acqua è il refrigerante più comunemente utilizzato all'interno dei refrigeratori di processo, sebbene vengano spesso impiegate miscele di refrigerante (principalmente acqua con un additivo refrigerante per migliorare la dissipazione del calore).

Selezione di refrigeratori industriali

Le specifiche importanti da considerare durante la ricerca di refrigeratori industriali includono il costo totale del ciclo di vita, la fonte di alimentazione, la classificazione IP del refrigeratore, la capacità di raffreddamento del refrigeratore, la capacità dell'evaporatore, il materiale dell'evaporatore, il tipo di evaporatore, il materiale del condensatore, la capacità del condensatore, la temperatura ambiente, il tipo di ventola del motore, livello di rumore, materiali delle tubazioni interne, numero di compressori, tipo di compressore, numero di circuiti frigoriferi, fabbisogno di refrigerante, temperatura di scarico del fluido e COP (il rapporto tra la potenza frigorifera in TA e l'energia consumata dall'intero refrigeratore in kW). Per i refrigeratori di medie e grandi dimensioni questo dovrebbe variare da 3,5 a 7,0, con valori più alti che significano una maggiore efficienza. Negli Stati Uniti, l'efficienza del refrigeratore è spesso specificata in kilowatt per tonnellata di refrigerazione (kW/RT).

Le specifiche della pompa di processo che è importante considerare includono il flusso di processo, la pressione di processo, il materiale della pompa, l'elastomero e il materiale della tenuta meccanica dell'albero, la tensione del motore, la classe elettrica del motore, la classificazione IP del motore e la classificazione della pompa. Se la temperatura dell'acqua fredda è inferiore a -5 °C, è necessario utilizzare una pompa speciale per poter pompare le alte concentrazioni di glicole etilenico. Altre specifiche importanti includono le dimensioni e i materiali del serbatoio dell'acqua interno e la corrente a pieno carico.

Le caratteristiche del pannello di controllo che dovrebbero essere considerate quando si seleziona tra i refrigeratori industriali includono il pannello di controllo locale, il pannello di controllo remoto, gli indicatori di guasto, gli indicatori di temperatura e gli indicatori di pressione.

Altre caratteristiche includono allarmi di emergenza, bypass del gas caldo, commutazione dell'acqua della città e rotelle.

I refrigeratori smontabili sono anche un'opzione per l'installazione in aree remote e dove le condizioni possono essere calde e polverose.

Se i livelli di rumore del refrigeratore sono acusticamente inaccettabili, i tecnici del controllo del rumore implementeranno attenuatori acustici per ridurre i livelli di rumore del refrigeratore. I refrigeratori più grandi richiedono in genere una serie di silenziatori a volte noti come banchi di silenziatori.

Refrigeranti

Un refrigeratore a compressione di vapore utilizza internamente un refrigerante come fluido di lavoro. Sono disponibili molte opzioni di refrigeranti; quando si seleziona un refrigeratore, i requisiti della temperatura di raffreddamento dell'applicazione e le caratteristiche di raffreddamento del refrigerante devono essere abbinati. Parametri importanti da considerare sono le temperature e le pressioni di esercizio.

Esistono diversi fattori ambientali che riguardano i refrigeranti e influiscono anche sulla futura disponibilità per le applicazioni di refrigerazione. Questa è una considerazione chiave nelle applicazioni intermittenti in cui un refrigeratore di grandi dimensioni può durare per 25 anni o più. È necessario considerare il potenziale di riduzione dell'ozono (ODP) e il potenziale di riscaldamento globale (GWP) del refrigerante. Dati ODP e GWP per alcuni dei più comuni refrigeranti a compressione di vapore (osservando che molti di questi refrigeranti sono altamente infiammabili e/o tossici):

Refrigerante ODP GWP
R12 1 2400
R123 0,012 76
R134a 0 1300
R22 0.05 1700
R290 (propano) 0 3
R401a 0,027 970
R404a 0 3260
R407a 0 2000
R407c 0 1525
R408a 0,016 3020
R409a 0,039 1290
R410a 0 1725
R500 0,7 ???
R502 0,18 5600
R507 0 3300
R600a 0 3
R744 (CO 2 ) 0 1
R717 (ammoniaca) 0 0
R718 (acqua) 0 0

R12 è il riferimento ODP. La CO 2 è il riferimento GWP

I refrigeranti utilizzati nei refrigeratori venduti in Europa sono principalmente R410a (70%), R407c (20%) e R134a (10%).

Guarda anche

Riferimenti

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