Regolazione della temperatura del refrigeratore


Ecco come i refrigeratori a ricircolo mantengono costante la temperatura

Solitamente i refrigeratori industriali vengono usati per far circolare un fluido a temperatura costante in un sistema a circuito chiuso con strumenti raffreddati a liquido per incrementare la ripetibilità e la riproducibilità del processo. I refrigeratori sono composti principalmente da una pompa per la circolazione del fluido, da un serbatoio che trattiene un determinato volume di fluido freddo all'interno dei refrigeratori stessi, da un sistema di raffreddamento del fluido e da un modulo per la regolazione della temperatura. (Vedere la Figura 1.)



Come modulo per la regolazione della temperatura è possibile usare un regolatore di temperatura commerciale standard. Sono disponibili varie tipologie di regolatori prodotti da una vasta gamma di aziende. Tutti sono dotati di un display della temperatura, montati a pannello e compatibili con la rilevazione della temperatura mediante termometri a resistenza o termocoppie. Sono disponibili inoltre diverse opzioni di comunicazione. Molti regolatori offrono una funzionalità molto utile di sintonizzazione automatica ad azione proporzionale, integrale e derivata (PID), che serve per calcolare la risposta ottimale in caso di interferenze quali variazioni del carico di processo, dei valori di riferimento oppure rumori. Al termine della sintonizzazione automatica potrebbe essere necessario regolare ulteriormente i parametri di sintonizzazione per garantire che la temperatura del fluido di processo rientri nei limiti di controllo del processo stesso. A questo punto la procedura di sintonizzazione del refrigeratore mediante l'apposito strumento non è necessariamente terminata. La funzionalità di sintonizzazione automatica proverà ad agire sul regolatore di temperatura al punto di funzionamento in fase di valutazione. Le dinamiche di processo spesso dipendono da condizioni temporali o circostanze specifiche. Se è possibile riconoscere o prevedere questi casi particolari, è necessario adottare un metodo di controllo adattivo (o in avanti) per integrare quello reattivo (o a reazione) utilizzato solitamente in uno schema di regolazione. I refrigeratori destinati a queste applicazioni avanzate spesso sono più adatti all'uso con controllori logici programmabili (PLC) e terminali di interfaccia operatore (OIT). (Vedere la Figura 2.)



L'utilizzo di un PLC garantisce la flessibilità necessaria per rispondere alle esigenze di un ambiente di controllo più difficile. Consente infatti un'integrazione perfetta di parametri di processo correlati alla temperatura non di processo, come pressione, velocità di flusso e temperatura ambiente, o eventi critici quali sovraccarico della pompa e arresto di emergenza in uno schema di controllo adattivo. I PLC rappresentano inoltre uno strumento di raccolta e comunicazione dei dati. È possibile connetterli ai sistemi ospitanti tramite una vasta gamma di metodi di comunicazione. Sono disponibili varie connessioni mediante fieldbus (Profibus, DeviceNet, LonWorks, ecc.), oltre a collegamenti in serie ed Ethernet non proprietari. Questa soluzione garantisce all'utente una migliore integrazione tra il refrigeratore e lo strumento. La regolazione della temperatura è una funzione essenziale per molti processi industriali, ma anche la stabilità della temperatura è fondamentale per alcuni processi. Una maggiore stabilità comporta in genere costi maggiori. Per molte applicazione è necessario mantenere una temperatura stabile di ±0,5°C rispetto al setpoint a un carico termico determinato. È possibile ottenere questo livello di stabilità misurando la temperatura del serbatoio e azionando ciclicamente una valvola a commutazione nel refrigeratore (figura 3).Un semplice algoritmo PID per il modulo di regolazione della temperatura aziona ciclicamente la valvola di commutazione in base alla necessità. Il serbatoio fornisce un determinato volume di fluido a temperatura costante per contribuire a ridurre l'impatto di eventuali piccole variazioni di temperatura dovute al cambiamento del carico termico dello strumento.



Se da un lato il serbatoio aiuta a mantenere costante la temperatura del fluido fornito allo strumento, dall'altro maschera gli alti picchi di temperatura del fluido proveniente dallo strumento. Tali cambiamenti dipendono dalla variazione del carico termico. Ad esempio, un laser in funzione potrebbe aggiungere al fluido un carico termico costante di 300 W per 5 minuti. La potenza del laser potrebbe poi essere portata a 500 W per 5 minuti e ridotta nuovamente a 300 W per altri 5 minuti. Questo ciclo potrebbe ripetersi senza fine. Un aumento del carico termico pari al 67% modifica improvvisamente la temperatura del fluido diretto al refrigeratore. Dato che la temperatura del fluido nel serbatoio varia più lentamente, il modulo di regolazione della temperatura impiega più tempo per rispondere a tali cambiamenti. È possibile incrementare la stabilità della temperatura nei processi dinamici misurando la temperatura del fluido all'uscita dal refrigeratore e prima dell'ingresso nel serbatoio (figura 4).Il modulo di regolazione della temperatura rileva grandi variazioni di temperatura nel fluido ed è in grado di rispondere adeguatamente. La stabilità della temperatura del fluido fornito allo strumento può essere raddoppiata modificando semplicemente il punto di misurazione. (Vedere la Figura 5.)





È importante notare che se il refrigeratore è progettato per offrire una stabilità di ±0,5°C mediante una valvola di commutazione (ad esempio, un'elettrovalvola refrigerante), l'aumento della stabilità comporta cicli più frequenti e una riduzione della durata della valvola. Questo problema può verificarsi con l'uso della funzionalità di sintonizzazione automatica su un regolatore di temperatura commerciale. Per questo motivo, il refrigeratore dovrebbe garantire esclusivamente il livello di stabilità necessario per mantenere il processo sotto controllo.

Un'altra problematica comunemente associata alla regolazione della temperatura del refrigeratore è la perdita di temperatura ambiente tra il refrigeratore e lo strumento. Questo si verifica solitamente quando il fluido di processo è molto più caldo o freddo della temperatura ambiente e c'è una significativa distanza e un'alta quantità di tubature fra il refrigeratore e lo strumento. A volte il refrigeratore si trova persino su un piano diverso rispetto allo strumento stesso. Per esempio, un fluido che esce dal refrigeratore a 15°C può riscaldarsi fino a 20°C prima di raggiungere lo strumento, a causa dell'aria del locale. Il processo richiede l'invio del fluido allo strumento alla temperatura costante di 15°C, non 20°C. Per questo problema, nel modulo di controllo della temperatura si può inserire una compensazione di 5°C. Anche se per il refrigeratore è stata fissata una temperatura di 15°C, esso la mantiene in realtà a 10°C. Con questo processo si ottiene quindi il necessario fluido a 15°C e il refrigeratore comunica un valore di 15°C sul display o tramite le comunicazioni.

Sono svariati i processi sensibili alla temperatura, come quelli usati nei dispositivi medici, in certi laser e nelle apparecchiature a semiconduttori. Per i refrigeratori a ricircolo, non è infrequente la stabilità a ±0,1°C per una data temperatura impostata. Tuttavia, come precedentemente menzionato, è consigliabile accertarsi che questo livello di stabilità sia davvero necessario per un dato processo, poiché può comportare un costo maggiore per i componenti del refrigeratore o lo sviluppo. Un algoritmo PID nel modulo di controllo regola una valvola a commutazione o di modulazione nel sistema di refrigerazione. Una valvola di modulazione è solitamente una valvola passo passo, che permette una regolazione precisa punto operativo. Inoltre non è limitata a uno specifico numero di cicli nell'arco della sua durata, come una valvola a commutazione. La valvola di modulazione impiega più tempo per aprirsi e chiudersi completamente rispetto a una valvola a commutazione. Pertanto al refrigeratore occorre più tempo per raggiungere una nuova temperatura dopo una variazione a gradino del set point.

Nei refrigeratori il controllo della temperatura si complica quando è necessario controllare più circuiti di fluido oppure si sta operando su un ampio intervallo di temperature, con carichi termici molto variabili. In tal caso si utilizzano PLC e OIT, poiché possono essere programmati per controllare più dispositivi e avere più circuiti PID. Tali dispositivi offrono la massima flessibilità in quanto sono limitati solo dal programma creato per essi.

In breve, è importante determinare attentamente i punti operativi del sistema e la stabilità necessaria. Una specifica errata di questi elementi può far andare la temperatura del sistema fuori controllo e/o comportare l'aggiunta di costi inutili. Un produttore di refrigeratori esperto può offrire la giusta scelta di refrigeratori, standard o personalizzati, se riceve le giuste informazioni.


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