Fattori relativi alla capacità di raffreddamento dei refrigeratori a ricircolo

Aspetti chiave delle condizioni ambientali e degli schemi dei refrigeratori che influiscono sulla capacità di raffreddamento totale

I refrigeratori a ricircolo sono sistemi di raffreddamento a liquido refrigerato utilizzati in diversi ambiti tra i quali quello medico, quello militare e quello della strumentazione laser e analitica. I refrigeratori vengono utilizzati per mantenere a una temperatura costante componenti quali teste laser e pannelli di rilevamento o altri dispositivi termosensibili e/o per rimuovere il calore di scarto e prevenire il surriscaldamento dei componenti critici.

Quando si sceglie un refrigeratore a ricircolo, è necessario prendere in considerazione diversi fattori che potrebbero influire sulla capacità di raffreddamento, come la temperatura ambiente dell'aria e la temperatura dell'acqua dell'impianto, la temperatura predefinita del refrigeratore, il fluido di processo, la manutenzione del refrigeratore e così via. I produttori di refrigeratori generalmente forniscono valori relativi alla capacità di raffreddamento basati su una temperatura di mandata dell'acqua di 20°C e una temperatura ambiente di 20°C. Ma che cosa succede se la temperatura ambiente è superiore o inferiore a 20°C? Che cosa succede se il refrigerante immesso nel processo ha una temperatura di 5°C piuttosto che di 20°C? Che cosa succede se viene utilizzato un refrigerante diverso dall'acqua? In che modo tutte queste variazioni influiscono sulla capacità di raffreddamento di un refrigeratore?

Refrigeratori a ricircolo e ciclo di refrigerazione

Per capire in che modo questi fattori possono influenzare la capacità di raffreddamento di un refrigeratore, è necessario innanzitutto capire come funziona questo tipo di dispositivo. Un refrigeratore a ricircolo con compressore utilizza le proprietà del calore latente di un refrigerante per rimuovere il calore da un processo e respingerlo nell'aria ambiente o nell'acqua dell'impianto. (Vedere Figura 1.) Per trasferire il calore sviluppato dal processo nell'aria ambiente o nell'acqua, il sistema di refrigerazione deve garantire una temperatura del refrigerante inferiore alla temperatura del fluido di processo da raffreddare. In una fase successiva del processo, il sistema deve aumentare la temperatura del refrigerante a un livello superiore alla temperatura del mezzo utilizzato per respingere il calore.

Un refrigeratore è un sistema complesso i cui componenti fondamentali sono compressore, condensatore, valvola di espansione termostatica (TXV) ed evaporatore. Nel compressore, il refrigerante proveniente dall'evaporatore viene compresso e, in questo modo, da gas saturo diventa gas ad alta pressione e ad alta temperatura. Il gas ora caldo viene fatto passare attraverso il condensatore, dove viene raffreddato e condensato in un liquido saturo attraverso l'eliminazione del calore nell'aria ambiente più fresca (condensatore raffreddato ad aria) o nell'acqua (condensatore raffreddato ad acqua). Il refrigerante passa quindi attraverso la valvola di espansione e durante questo passaggio la pressione e la temperatura del refrigerante diminuiscono considerevolmente. Ora la temperatura del refrigerante è inferiore a quella del fluido di processo e, di conseguenza, il calore viene trasferito dal fluido di processo al refrigerante causandone l'evaporazione sotto forma di gas a bassa pressione. Il gas torna quindi al compressore e il ciclo ha nuovamente inizio.

Il condensatore e l'evaporatore sono scambiatori di calore che trasferiscono il calore da un mezzo a un altro. Nei condensatori raffreddati ad aria vengono generalmente utilizzati scambiatori di calore liquido-aria con tubo in rame e alette in alluminio per respingere il calore dal gas refrigerante caldo all'aria ambiente. I condensatori raffreddati ad acqua, invece, utilizzano scambiatori di calore liquido-liquido per trasferire il calore del gas refrigerante caldo all'acqua dell'impianto. Nel caso degli evaporatori, vengono solitamente utilizzati scambiatori di calore liquido-liquido per trasferire il calore dal fluido di processo al refrigerante. Le prestazioni di uno scambiatore di calore dipendono da molti fattori, tra cui il fluido di processo utilizzato, le temperature dei fluidi in ingresso, le portate, i materiali di costruzione e il design dello scambiatore stesso. A parità di tutti gli altri fattori, l'elemento determinante per il trasferimento di calore da un fluido a un altro è la differenza nelle temperature dei fluidi in ingresso.

Esempio di modello CAD 3D del dissipatore di calore generato da Boyd Genie

Temperatura dell'aria ambiente e dell'acqua dell'impianto

La temperatura dell'aria ambiente o dell'acqua dell'impianto svolge un ruolo importante nella capacità di raffreddamento di un refrigeratore. Affinché il condensatore sia in grado di respingere il calore totale (carico termico di processo più carico di compressione) verso l'aria ambiente o l'acqua dell'impianto, deve esserci una differenza di temperatura sufficiente tra il gas refrigerante caldo e l'aria ambiente o l'acqua dell'impianto. Ad esempio, i refrigeratori Aavid di norma operano a temperature di condensazione comprese tra 32,2°C (90°F) e 43,3°C (110°F) e respingono il calore in aria ambiente a 20°C (68°F) o in acqua a 24°C (75°F) (figura 2). I condensatori raffreddati ad acqua possono respingere la stessa quantità di calore in un'acqua a temperatura più elevata perché l'acqua è un fluido di trasferimento del calore molto più efficiente dell'aria e necessita di una differenza di temperatura tra i due fluidi in ingresso meno elevata.

Con l'aumento della temperatura dell'aria ambiente o dell'acqua diminuisce la capacità del condensatore del refrigeratore di trasferire il calore di processo dal refrigerante all'aria ambiente o all'acqua, e questo causa pressioni di condensazione più elevate che potrebbero compromettere le prestazioni del sistema. Pertanto, se il refrigeratore a ricircolo verrà esposto a temperature ambiente superiori a 20°C, andranno effettuati dei calcoli di dimensionamento per determinare la capacità di raffreddamento necessaria. Allo stesso modo, se la temperatura ambiente diminuisce, le prestazioni miglioreranno grazie a una differenza di temperatura iniziale più elevata.

Per il dimensionamento di un refrigeratore è essenziale conoscere la temperatura ambiente o dell'acqua massima per poter selezionare un refrigeratore con capacità di raffreddamento sufficiente a soddisfare le esigenze della tua applicazione. Rivolgiti a un ingegnere di applicazioni per ricevere assistenza in merito al dimensionamento di un refrigeratore.

Temperatura predefinita

Come avviene per i condensatori, anche le prestazioni degli evaporatori diminuiscono se si riduce la differenza tra le temperature in ingresso del liquido refrigerante e dell'acqua di processo di ritorno. Questa condizione si verifica se il refrigeratore è impostato per funzionare a una temperatura ridotta, ad esempio a 5°C invece che a 20°C. Se la temperatura di alimentazione del refrigeratore è più bassa, sarà più bassa anche la temperatura dell'acqua di processo di ritorno e ci sarà meno differenziale termico per indurre il trasferimento di calore. Le prestazioni di un refrigeratore si riducono se si riduce la temperatura predefinita. Allo stesso modo, le prestazioni di un refrigeratore miglioreranno con l'aumentare della temperatura predefinita fino alla temperatura massima compresa nell'intervallo di temperatura raccomandato. (Vedere la Figura 2.).

Fluido di processo

Anche il fluido di processo utilizzato nel refrigeratore a ricircolo influisce sulle prestazioni. La capacità di raffreddamento dei refrigeratori si basa di norma sull'utilizzo dell'acqua come fluido di processo, pertanto l'utilizzo di un fluido di processo diverso potrebbe comportare una riduzione della capacità di raffreddamento. Ad esempio, alcuni refrigeratori a ricircolo sono progettati per essere compatibili con la polialfaolefina (PAO) come fluido di processo. La PAO viene generalmente utilizzata nelle applicazioni militari a causa delle sue proprietà dielettriche e/o dell'ampio intervallo di temperatura di esercizio. Tuttavia, a parità di tutti gli altri fattori, la capacità di raffreddamento di un refrigeratore a PAO sarà inferiore rispetto a quella di un refrigeratore ad acqua perché la PAO presenta un calore specifico, una densità e una conducibilità termica inferiori rispetto all'acqua.

Funzionamento e manutenzione

Un altro fattore che influisce sulle prestazioni di un refrigeratore è la manutenzione di condensatore ed evaporatore. L'accumulo di polvere nei condensatori raffreddati ad aria o le incrostazioni di tubi e passaggi del flusso negli evaporatori o nei condensatori raffreddati ad acqua causano una riduzione delle prestazioni del refrigeratore. L'accumulo di polvere o detriti sulle alette dei condensatori raffreddati ad aria, o sulle alette delle ventole dei condensatori, limita il flusso d'aria, comportando una riduzione della capacità di raffreddamento del refrigeratore. Se il refrigeratore viene utilizzato in un ambiente polveroso o sporco, è necessario programmare interventi regolari di manutenzione o pulizia e/o sovradimensionare il refrigeratore. Nei condensatori raffreddati ad acqua è inoltre possibile che si creino incrostazioni in seguito a formazione di calcare, corrosione e/o crescita biologica dovute alla scarsa qualità dell'acqua. Le incrostazioni formano uno strato isolante sulle pareti interne dei tubi che impedisce il trasferimento di calore tra refrigerante e acqua, compromettendo così l'efficienza del refrigeratore. Utilizzando acqua pulita con inibitori di corrosione è possibile ridurre al minimo il rischio di incrostazioni. Per ulteriori informazioni, consulta la nostra nota applicativa "Messa a punto del refrigeratore a ricircolo: funzionamento e manutenzione".

Altri fattori

Nei rari casi in cui il refrigeratore a ricircolo raffreddato ad aria sia installato in una località ad alta quota, la ridotta densità dell'aria influirà sulla capacità di raffreddamento. Dal momento che la portata massica è uguale a portata volumetrica per densità, se la densità diminuisce la ventola del condensatore dovrà fornire una portata volumetrica più elevata per garantire la stessa capacità di raffreddamento di un'unità installata a livello del mare. Una possibile soluzione è il sovradimensionamento del refrigeratore a ricircolo per assicurare che le esigenze relative alla capacità di raffreddamento siano soddisfatte.

L'umidità è un altro fattore che influisce sulle prestazioni del refrigeratore quando la temperatura del refrigerante di processo è inferiore al punto di rugiada ambiente. In questi casi, se le linee del refrigeratore, l'evaporatore e la pompa non sono isolati, è possibile che su queste superfici si formi della condensa, causando una perdita della capacità di raffreddamento. Le superfici metalliche non trattate possono anche essere soggette ai danni provocati dalla corrosione. Pertanto si consiglia vivamente di isolare tali superfici.

Va ricordato che un refrigeratore da 230 VAC 50 Hz ha una capacità di raffreddamento di circa il 17% inferiore rispetto a un refrigeratore da 230 VAC 60 Hz a causa della ridotta frequenza di rotazione dei motori di pompa, compressore e ventola (figura 3).

Le prestazioni di un refrigeratore dipendono da molti fattori tra cui temperatura dell'aria ambiente o temperatura dell'acqua dell'impianto, temperatura predefinita del refrigeratore, fluido di processo, utilizzo e manutenzione e altri ancora. È di fondamentale importanza tenere conto di tutti questi fattori sia per la scelta di un refrigeratore sia per il suo utilizzo e anche per garantire tempi di attività massimi dell'apparecchiatura raffreddata dal refrigeratore.

Consulta la nostra Sezione refrigeratori a ricircolo per confrontare in autonomia le diverse opzioni oppure contatta il nostro team di ingegneri per ricevere consulenza su come determinare la quantità di raffreddamento necessaria per il tuo sistema.

Esempio di disegno del dissipatore di calore generato da Boyd Genie

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