Questa guida dettagliata illustra le varie tipologie di sistemi di raffreddamento disponibili e spiega come selezionare il prodotto giusto per l'applicazione desiderata.
Considerazioni per la scelta di un sistema in base all'applicazione
La prima domanda da porsi è se è necessario regolare con precisione la temperatura o raffreddare portandola al di sotto della temperatura ambiente. Se la risposta è no per entrambi, è bene optare per un sistema di raffreddamento che si limiti a eliminare grandi quantità di calore. La soluzione più conveniente è un sistema di raffreddamento ambiente.
I maggiori fattori di costo delle piastre di raffreddamento in alluminio, dopo quelli citati sopra, sono i tempi di lavorazione meccanica e le fasi di lavorazione aggiuntive. I produttori di piastre di raffreddamento solitamente devono sostenere un costo associato ai tempi di lavorazione meccanica che include l'ammortamento della macchina, l'energia elettrica, le forniture e la manutenzione. Pertanto, più a lungo la piastra rimane nella macchina, maggiori saranno i costi. Ogni fase di lavorazione successiva comporta un ulteriore incremento dei costi.
I sistemi di raffreddamento ambiente sono i più semplici ed economici. Contengono uno scambiatore di calore, una ventola, una pompa e un serbatoio, il tutto in uno spazio ridotto. La pompa fa sì che il fluido circoli verso il sistema e poi di nuovo nello scambiatore di calore, mentre la ventola soffia aria ambiente in tutto lo scambiatore per raffreddare il liquido.
I sistemi di raffreddamento ambiente non dispongono di un circuito di regolazione della temperatura, quindi non sono in grado di mantenere una temperatura prestabilita. Dato che il raffreddamento si ottiene mediante aria ambiente, la temperatura ambiente rappresenta la temperatura minima del fluido in uscita.
Per quanto sembrino semplici, i sistemi di raffreddamento ambiente sono progettati per garantire la massima capacità. Grazie alle vaste conoscenze dei produttori di sistemi di raffreddamento in merito alle prestazioni degli scambiatori di calore, la velocità del flusso del liquido e quella del flusso d'aria offrono prestazioni identiche per garantire la massima capacità di raffreddamento del sistema. Le tubazioni sono progettate per la massima affidabilità e i componenti vengono accuratamente selezionati per evitare le problematiche dovute alla corrosione galvanica. I sistemi di raffreddamento ambiente standard sono estremamente semplici da usare: basta collegare la raccorderia di ingresso e uscita del fluido alle attrezzature, riempire il serbatoio e accenderli.
E se invece è necessario regolare la temperatura o raffreddare portandola al di sotto della temperatura ambiente? I refrigeratori a ricircolo e i sistemi di raffreddamento da liquido a liquido sono entrambi valide alternative.
Refrigeratori a ricircolo
I refrigeratori a ricircolo consentono di regolare con precisione la temperatura (con uno scarto di 0,1°C) e di raffreddare ottenendo una temperatura inferiore a quella ambiente. Sono silenziosi, offrono una vasta gamma di capacità di raffreddamento e sono disponibili con varie opzioni e funzionalità aggiuntive, oltre a essere compatti e semplici da installare.
I refrigeratori a ricircolo raffreddano tramite un refrigerante. Funzionano in modo simile ai frigoriferi domestici, ma raffreddano l'acqua invece dell'aria. Il circuito dell'acqua di processo comprende un evaporatore, un serbatoio e una pompa. L'acqua viene raffreddata dal refrigerante mentre attraversa l'evaporatore. All'estremità opposta dell'evaporatore, il refrigerante evapora per raffreddare l'acqua, poi passa attraverso un compressore e un condensatore. Infine, espelle il calore nell'aria ambiente.
Quando il carico termico si innalza, i refrigeratori possono provocare il sovraccarico del sistema di condizionamento della stanza in seguito all'emissione del calore di scarto. Una soluzione potrebbe essere l'uso di refrigeratori con un condensatore dotato di raffreddamento a liquido. In tal caso, il refrigerante viene raffreddato dall'acqua dell'impianto raffreddata, invece che dall'aria, quindi i refrigeratori risultano più silenziosi e si evitano problemi di riscaldamento della stanza.
Un'altra alternativa, in caso di carichi termici elevati, sono i sistemi di raffreddamento da liquido a liquido.
Sistemi di raffreddamento da liquido a liquido (LCS)
I sistemi di raffreddamento da liquido a liquido portano la temperatura al di sotto di quella ambiente e offrono una stabilità della temperatura simile a quella dei refrigeratori a ricircolo. Invece di espellere il calore di scarto nella stanza, grazie a uno scambiatore di calore da liquido a liquido lo trasferiscono all'acqua dell'impianto raffreddata.
Il circuito di processo è completamente isolato dall'acqua dell'impianto, quindi le attrezzature risultano protette dalle variazioni di temperatura, dalla velocità del flusso dell'acqua dell'impianto e da eventuali contaminanti. Dato che il raffreddamento avviene tramite l'acqua dell'impianto, la temperatura di quest'ultima rappresenta la temperatura minima del fluido in uscita.
I sistemi di raffreddamento da liquido a liquido sono rinomati per le applicazioni ad alto carico termico, viste le dimensioni ridotte (1/3 di quelle di refrigeratori a base di refrigerante con capacità simile). Privi di compressore, sono inoltre molto silenziosi e a basso consumo energetico.
Refrigeratori a ricircolo o sistemi di raffreddamento da liquido a liquido?
Per carichi termici ridotti, i refrigeratori a ricircolo di solito sono la soluzione più semplice, poiché l'installazione è davvero rapida. In caso di carichi termici elevati, i sistemi di raffreddamento da liquido a liquido sono più convenienti. Tuttavia, il loro uso è limitato dalla disponibilità di acqua dell'impianto raffreddata. La necessità di collegarli all'acqua dell'impianto tramite tubazioni può incidere sulla posizione di utilizzo e sulla portabilità delle attrezzature.
In caso di carichi termici elevati e qualora sia necessario espellere il calore nell'acqua dell'impianto, la scelta tra gli LCS e i refrigeratori a ricircolo con condensatore raffreddato ad acqua dipende dalla temperatura di riferimento. Se la temperatura di riferimento è più alta della temperatura massima dell'acqua dell'impianto, gli LCS sono più economici. Tuttavia, se è necessario raffreddare raggiungendo una temperatura prossima o inferiore a quella dell'acqua dell'impianto, sarà necessario dotarsi di refrigeratori a base di refrigerante con condensatore raffreddato ad acqua.
Selezione di un sistema di raffreddamento modulare
Calcolare il sistema adatto
Le prestazioni MCS sono indicate come Q/ITD rispetto alla portata. Q rappresenta il carico termico, e ITD è la differenza di temperatura iniziale, o la differenza tra la temperatura del liquido in ingresso MCS e la temperatura dell'aria nell'ambiente.
Per selezionare il sistema MCS adatto, è necessario prima determinare Q/ITD. Poi, con il grafico delle prestazioni MCS, tracciare una linea orizzontale al valore Q/ITD calcolato. Infine, verificare che la pompa garantisca una portata sufficiente.
Esempio:
Un laser produce 700 W di calore di scarto. La temperatura dell'acqua che esce dal laser dovrebbe essere inferiore a 35°C. La temperatura ambientale è pari a 20°C. L'attrezzatura laser necessita di una portata di almeno 1 gpm. Quale sistema MCS dovrei scegliere?
Innanzitutto, determinare Q/ITD = 700 W/(35°C-20°C) = 46,7 W/°C
Utilizzando il grafico delle prestazioni termiche, si può vedere che a portate superiori a 0,5 gpm, MCS20 fornirà prestazioni adeguate. La pompa BB standard ha una portata di 1,3 gpm quindi è adatta. Se si sta considerando una pompa alternativa, utilizzare il calcolo della portata della pompa per verificare che con la caduta della pressione indicata, la portata sarà sufficiente.
Selezione di un sistema di raffreddamento da liquido a liquido
Come calcolare qual è il sistema di raffreddamento da liquido a liquido più adatto in base all'applicazione
In alternativa, è possibile usare i grafici della capacità termica disponibili nella nostra Guida di riferimento termica.
Successivamente calcoleremo il rapporto Q/ITD per stabilire la capacità di raffreddamento necessaria. Q è il carico termico di processo. ITD, la differenza di temperatura iniziale, indica lo scarto tra la temperatura dell'acqua calda di ritorno (TP + ΔT) e quella dell'acqua fredda dell'impianto (TF).
Infine, è necessario fare riferimento alle curve di qualità dei sistemi di raffreddamento a liquido (LCS) per determinare la velocità del flusso di processo necessaria per ottenere il rapporto Q/ITD calcolato.
Esempio di calcolo relativo a un sistema di raffreddamento da liquido a liquido
Per un forno per saldatura a riflusso è necessario un set point di processo pari a 20 °C. Il carico termico è di 10 kW e la velocità del flusso dell'acqua di processo è 5 gpm. The facility water is at 10°C. Using the heat capacity graphs, we find that the ΔT through the process is approximately 7,6°C for the condition 10 kW at 5 gpm.
Conclusioni sulla scelta dei sistemi a liquido
Fondamentalmente, la scelta del sistema da utilizzare dipende dalle esigenze in termini di capacità di raffreddamento, stabilità della temperatura, temperatura di riferimento e disponibilità di acqua dell'impianto raffreddata. Se hai bisogno di ulteriore assistenza durante la scelta del sistema di raffreddamento, contatta i nostri ingegneri progettisti termici per parlare delle esigenze specifiche legate all'applicazione. In base a dati quali il carico termico e la velocità del flusso necessaria, ti consiglieranno il prodotto più adatto.
