TORRI EVAPORATIVE PER LA RIGENERAZIONE DELLE ACQUE: I CRITERI COSTRUTTIVI
Per realizzare il raffreddamento dell'acqua secondo il principio evaporativo precedentemente illustrato, vengono impiegate apparecchiature molto diverse dal punto di vista costruttivo.
Impianti che realizzano il raffreddamento evaporativo
Possiamo classificare le apparecchiature per il raffreddamento evaporativo dell'acqua come segue:
1) vasche evaporative
- semplici
- con ugelli spruzzatori
2) torri a tiraggio naturale:
- aperte o atmosferiche
- con o senza riempimento
-iperboliche
3) torri a tiraggio meccanico:
-fisse ,a struttura muraria, per grandi potenzialità
-preassemblate del tipo "packaged"
Vasche
Le vasche evaporanti costituiscono la più semplice applicazione tecnologica del principio del raffreddamento evaporativo: in esse l'acqua circola lentamente e l'evaporazione che si produce sulla superficie libera della vasca raffredda l'acqua.
Con questo sistema, l'effetto raffreddante è naturalmente modesto ed occorrono delle vasche molto grandi per ottenere una sufficiente superficie di scambio.
È possibile rendere più efficace il procedimento installando un sistema di ugelli per spruzzare l'acqua al di sopra delle vasche di raccolta: in questo modo viene sensibilmente aumentata la superficie di contatto tra acqua ed aria.
Torri a tiraggio naturale
Il successivo stadio nello sviluppo del raffreddamento evaporativo è stato quello delle torri aperte O atmosferiche: si tratta di torri con le pareti a persiana, attraverso le quali può liberamente passare l'aria. L'acqua viene spruzzata da una serie di ugelli posti nella parte superiore della torre e cade in goccioline nel bacino di raccolta. Durante la caduta le goccioline vengo-no a contatto con l'aria che attraversa la torre. Con questo metodo però, la potenzialità della torre dipende molto dall'intensità del vento ed il trascinamento di gocce, che aumenta con essa, provoca ingenti perdite di acqua. Parte dell'aria viene anche aspirata nella torre per induzione dall'acqua che scende. Per aumentare la resa di queste torri e diminuire il trascina-mento si può impiegare un riempimento costituito da travetti di legno o da altri materiali. Un successivo passo venne compiuto costruendo le torri con le pareti laterali chiuse, sfruttando per la circolazione dell'aria il tiraggio naturale che si crea nella torre.
L'aria presente nella torre stessa viene riscaldata ed umidificata dall'acqua calda; diminuisce così il suo peso specifico e quindi tende a sfuggire dalla torre verso l'alto, richiamando altra arìa che subisce la medesima trasformazione fisica, per cui si instaura una corrente permanente.
La differenza tra la densità dell'aria all'interno ed all'esterno della torre produce un sufficiente tiraggio, se la torre ha un'altezza Opportuna.
Le torri più piccole e semplici sono realizzate in legno, mentre le più grandi hanno le pareti in calcestruzzo.
Infine, negli impianti con portate orarie di migliaia di metri cubi e bassi salti termici, si usano frequentemente le torri iperboliche a tiraggio naturale, la cui altezza deve essere notevole perprodurre un buon effetto camino ed un sufficiente effetto raffreddante. Le torri iperboliche hanno un diametro alla base attorno ai 50 m e altezze che raggiungono gli 80 + 100 metri.
Torri a tiraggio meccanico
Date le limitazioni che condizionano il loro funzionamento, i sistemi precedentemente esaminati sono usati solo in particolari casi. D'estate, nei climi caldi o temperati la resa delle torri a tiraggio naturale si riduce notevolmente, la piccola differenza di temperatura tra l'aria all'interno e quella all'esterno diminuisce l'effetto camino e quindi la quantità di aria che attraversa la torre. Sono quindi maggiormente diffuse le torri a tiraggio meccanico: tra queste, le torri con pareti in calcestruzzo sono per lo più riservate agli impianti di maggiore potenzialità.
Nella maggior parte delle applicazioni vengono impiegate torri evaporative del tipo preassemblato o facilmente assembiate in loco.
Queste torri possono contenere un materiale di riempimento atto ad aumentare la superficie di contatto tra acqua ed aria.
Qualora manchi il riempimento (ed è ormai un caso sporadico richiesto solo in particolari processi), la superficie delle goccioline d'acqua costituisce l'effettiva area di contatto acquaaùa. La velocità dell'aria deve essere mantenuta a valori bassi (2-2,5 m/sec) ed occorre installare un efficiente separatore di gocce per evitare un notevole trascinamento dell'acqua.
Nella stragrande maggioranza dei casi sono usate le torri con riempimento.
La distribuzione dell'acqua può essere ottenuta per successivi stramazzi o per caduta da vasche forate o a mezzo di una serie di ugelli spruzzatori, tutti mezzi che consentono la suddivisione dell'acqua in goccioline aumentando la superficie di contatto acqua-aria. Questa soluzione con ugelli è la più usata, anche se aumenta il trascinamento meccanico di acqua nella corrente d'aria. Per distribuire l'acqua si usa anche il mulinello di Segneri, costituito da due braccia montate su un albero. L'acqua, fuoriuscendo da forellini praticati lungo una generatrice dei bracci, provoca per reazione la rotazione del sistema e l'innaffiamento dell'acqua sul pacco di riempimento.
Il movimento d'aria può essere a flussi incrociati o in controcorrente rispetto a quello dell'acqua, che è quasi sempre verticale.
Le torri in controcorrente hanno superfici di ingombro minori mentre le torri a correnti incrociate possono avere altezze minori. La soluzione in controcorrente è quella usata dal maggior numero di costruttori.
Un tipo particolare di torre a tiraggio indotto utilizza, per il trascinamento dell'aria, l'effetto di eiettore prodotto dalla fuoriuscita dell'acqua da ugelli sotto notevole pressione nella sezione contratta di un approssimato tubo Venturi.
Posizione e tipo dei ventilatori
Nelle torri a tiraggio meccanico il regolare movimento dell'aria all'interno della torre èassicurato da un ventilatore, che può essere situato a valle o a monte del materiale di riempimento; quest'ultimo cioè si trova, rispettivamente, nella corrente d'aria spinta, oppure su quella aspirata, dal ventilatore.
La disposizione a valle fu la prima adottata poiché servì per attivare semplicemente la circolazione nelle torri a tiraggio naturale, nei periodi più caldi.
La disposizione a monte è più recente e fu adottata per evitare che i pesi maggiori, e cioè motori e ventilatori, dovessero essere sopportati dalla struttura, che avrebbe dovuto essere irrobustita. Così facendo, invece, i ventilatori stessi avrebbero potuto partecipare, con i loro corpi o involucri o supporti, a costituire parte della struttura che così risultava molto più leggera.
Un elemento più importante, che portò a costruire torri con ventilatore a monte, fu la necessità di costruire apparecchi di grande capacità, impiegando ventilatori radiali con lo scopo di diminuire la rumorosità.
Entrambe le disposizioni, e cioè con ventilatore a valle od a monte, vengono realizzate con soffianti sia a flusso assiale, sia radiale.
L'impiego di ventilatori radiali a valle del riempimento, e cioè in aspirazione, è però limitato alle unità più piccole (fino a 10 m3/h di acqua). Per portate d'acqua maggiori vengono impiegati ventilatori assiali.
La disposizione dei ventilatori assiali a monte della zona di scambio del calore è adottata da diverse case, ma non è la più diffusa, per il fatto che il ventilatore assiale posto a monte del materiale di riempimento, a parità di portata, ha un maggior assorbimento di energia rispetto allo stesso ventilatore posto a valle del materiale stesso.
Ricordiamo che la torre di raffreddamento richiede ai suoi ventilatori forti portate con piccole pressioni statiche. Sono queste le condizioni in cui i ventilatori radiali hanno il peggior rendimento (funzionamento vicino a quello a bocca libera).
Tali condizioni possono essere meglio soddisfatte adottando ventilatori radiali a doppia aspirazione di grandi dimensioni ed a basso numero di giri (da 300 a 400 al min). Questi ventilatori sono molto silenziosi ma costosi ed ingombranti e, nell'intento di ridurre i pesi, vi è tendenza ad usare ventilatori di contenute dimensioni con numero di giri compreso tra i 500 ed i 700 al min.
Tali apparecchi richiedono però potenze più elevate, mentre la loro rumorosità non è più contenuta e risulta paragonabile a quella dei ventilatori assiali meglio progettati.
I ventilatori assiali, viceversa, sono i più adatti a funzionare con elevate portate e pressioni basse, per cui il loro funzionamento avviene con buon rendimento e con rumorosità accettabile.
Mentre il ventilatore assiale funziona in questo tipo di applicazioni con rendimenti dell'ordine di 0,45 o anche 0,50, il ventilatore radiale ha dei rendimenti non superiori allo 0,20 e, spesso, molto inferiori a questo valore.
Aggiungendo a tale basso rendimento la totale perdita della pressione dinamica, che nel caso di disposizione dei ventilatori a monte volutamente annullata all'ingresso nella torre per ottenere una uniforme distribuzione dell'aria nel corpo di riempimento, è perfettamente logica e scontata la conseguente richiesta di potenza, da parte di una torre dotata di ventilatori radiali, doppia o tripla di quella di una torre di pari potenzialità, dotata di ventilatori assiali.
Oggi poi, con buoni ventilatori assiali si ottengono liveHi di rumorosità competitivi rispetto a quelli ottenuti con ventilatori radiali di limitate dimensioni; se poi la velocità dei ventilatori assiali viene contenuta entro i 300 -450 giri al mm., la loro rumorosità risulta così contenuta da non porre problemi, neppure nei centri abitati
Il problema della corrosione e la scelta dei materiali
Oltre a quello dei ventilatori per il movimento dell'aria, l'altro grosso problema presentato dalle torri di raffreddamento è quello della corrosione.
La corrosione in una torre di raffreddamento si produce su tutti gli elementi della torre stessa, ma in diversa misura, perciò diverse saranno le precauzioni da prendere.
La struttura portante delle torri componibili è consigliabile sia eseguita in profilati di acciaio zincati a fuoco o elettroliticamente, purché con sufficiente spessore, ed eventualmente protetti con un ciclo di verniciatura adatta, quando l'ambiente sia particolarmente aggressivo. Gli spessori e la forma dei profilati devono essere tali da garantire, con la zincatura, una buona copertura del metallo anche nei fori.
In casi particolari si può ricorrere anche alle leghe inossidabili di alluminio, preventivamente anodizzate o protette con vernici ai cromati.
La pannellatura non presenta particolari problemi di ordine tecnico, oltre che estetico, ed in pratica solo l'acciaio inossidabile ed il poliestere armato forniscono una soluzione soddisfacente. L'impiego della lamiera zincata, pur trascurando ogni considerazione di carattere estetico, offre troppe incognite per essere ritenuto sufficiente, soprattutto proiettato nel tempo. La verniciatura a fuoco con distribuzione della vernice (normalmente epossidica) per elettroforesi offre una buona soluzione, largamente sperimentata nelle carrozzerie delle automobili.
Per quanto riguarda i materiali con cui costruire i ventilatori assiali, che sono immersi nella corrente d'aria umida, la soluzione ottima e collaudatissima negli impieghi a bordo delle navi, è offerta dalle leghe alluminio-magnesio, che hanno dalla loro anche il vantaggio della leggerezza, particolarmente sentita per le unità più grandi.
Per le vasche di raccolta dell'acqua, utilizzando lamiere di spessore non inferiore a 3 mm, èsufficiente, per una buona conservazione, un ciclo di verniciatura, a patto di un'accurata manutenzione.
L'acciaio inossidabile è troppo costoso e la zincatura a caldo deforma il manufatto, mentre il poliestere offre un'ottima soluzione per vasche componibili con elementi di non grande superficie (8-10 m2 ciascuno).
Talune materie plastiche offrono la soluzione ideale per tutte le altre parti costituenti la torre, ossia tubi di distribuzione d'acqua, ugelli, separagocce e materiale di riempimento. Questo perché dette parti sono sottoposte ad un ciclo incessante di bagnatura ed asciugamento e quindi alle peggiori condizioni.
Le materie plastiche hanno un relativo punto debole nel fatto che possono bruciare, se al loro contatto viene portata una fiamma viva.
Questo, in una torre di raffreddamento, è un fatto assolutamente insolito, anche perché, trovandosi le torri all'esterno ed in posizione poco accessibile, nella quasi totalità dei casi tale pericolo risulta molto remoto. Nei casi in cui tale evento si è verificato, la causa è stata la fiamma ossiacetilenica impiegata nelle operazioni di saldatura dei tubi, imprudentemente avvicinata alla materia plastica. Si tratta di causa evitabile e da addebitare unicamente ad imprudenza o imperizia.
Sono diffuse sul mercato torri aventi fino a 350- 400 mc/h, il cui involucro è eseguito interamente in materie plastiche rinforzate, soluzione che ovviamente elimina il problema della corrosione anche per il corpo della torre.
Comunque è sufficiente, ove si voglia e si sia disposti a sopportare l'inevitabile aggravio di costo, eseguire il pacco di scambio, che fornisce il maggior volume di materiale incendiabile, in materiale non combustibile, pur senza ricorrere ai metalli, tutti più vulnerabili alla corrosione e molto più pesanti che non le materie plastiche.
L'accurato studio del materiale da impiegare per ogni singola parte conduce, se non ad eliminare, a ridurre in modo drastico i pericoli derivanti dal numero uno delle torri di raffreddamento e cioè la corrosione, ed a contenere pesi ed ingombri.
È chiaro anche che tutte le scelte dei materiali devono tenere conto delle necessità di pulizia, trattamento delle acque, disincrostazione, trattamenti alghicidi ed anche del relativo costo dei ricambi.
email:nicolataraschi@inwind.it