IMPIEGO DELLE TORRI EVAPORATIVE

Applicazioni tipiche

Tra le moltissime applicazioni delle torri evaporative per il raffreddamento delle acque industriali possiamo elencare le più interessanti:

- acciaierie - fonderie - industria petrolifera

- acetifici - forge - lavaggi chimici

- banchi prove motori - fornaci di laterizi - malterie

- birrerie - fucine - margarinifici

- colorifici - impianti di condizionamento - motori diesel

- compressori d'aria e di gas dell'aria - oleifici

- condensatori di vapori e di gas - impianti di produzione - reattori atomici

- conservifici alimentari del freddo - tintorie a secco

- distillerie di alcool e grassi - industria chimica - tipografie

- fabbriche di gomma - industria farmaceutica - vetrerie

 

 

 

 

 

 

In molti degli impieghi elencati, la torre evaporativa serve per raffreddare, e quindi riutilizzare, l'acqua adoperata direttamente come agente raffreddante (esempio: nelle acciaierie per il raffreddamento di parti del forno elettrico, delle lingotterie, del laminatoio; per i motori a scoppio e diesel; per i cilindri dei compressori d'aria e di gas; per le emulsioni di acqua e olio nelle lavorazioni meccaniche con asportazione di truciolo, ecc:).

In molti altri casi, la torre evaporativa serve a raffreddare l'acqua usata come agente raffreddante in uno scambiatore di calore o in un condensatore (esempio: raffreddamento del malto nelle birrerie, raffreddamento dei forni a induzione nelle fonderie, condensazione del vapore acqueo nel-l'industria dei grassi alimentari e nei conservifici in genere).

Impianti di produzione del freddo

Tra queste ultime applicazioni, particolarmente interessante è l'impiego delle torri evaporative per il raffreddamento, e quindi il ricircolo, dell'acqua usata per asportare il calore dai condensatori delle centrali frigorifere per il condizionamento dell'aria e il raffreddamento industriale (impianti per la conservazione delle derrate: celle per carni, per prodotti ortifrutticoli, per gelati, per prodotti congelati e surgelati; liofilizzatori. Impianti per il raffreddamento dei liquidi: impianti enologici, per birra, per bevande gasate; produzione del ghiaccio; piste di ghiaccio artificiale per il pattinaggio e tutti gli innumerevoli usi del ghiaccio artificiale).

Normalmente gli impianti di refrigerazione e condizionamento, dal punto cii vista dell'agente raffreddante, possono dividersi in tre categorie:

1. Impianti in cui si utilizza solo acqua freatica, come agente raffreddante diretto (solo per il condizionamento dell'aria)

2. Impianti a due agenti di raffreddamento e cioè: acqua freatica e fluido frigorigeno evaporante. L'acqua freatica, dopo l'eventuale utilizzazione come agente raffreddante, viene usata per il raffreddamento del condensatore del fluido refrigerante.

3. Impianti in cui l'effetto raffreddante è conseguito unicamente dall'evaporazione di un fluido frigorifero, che viene ricondensato in uno scambiatore raffreddato o ad aria, o con acqua freatica, o con acqua rigenerata termicamente appunto da una torre evaporativa.

 

Progetto di nuovi impianti

Per le nuove installazioni la scelta del tipo di raffreddamento per il condensatore viene effettuata in base ai seguenti criteri:

a) finanziario: in funzione del costo di acquisto e montaggio e relativi ammortamenti, non trascurando le opere murarie di adattamento delle strutture;

b) economico: relativamente alle spese di conduzione risultanti dalle seguenti voci: costo dell'energia elettrica consumata dai compressori, pompe, ventilatori; costo dell'acqua di reintegro per la torre, manutenzioni, verniciature, disincrostazioni, eventuali trattamenti dell'acqua di reintegro; costo dell'acqua di sottosuolo (spese di estrazione + tasse);

c) logistico: se e dove è possibile installare le apparecchiature della centrale in relazione alla situazione statica, tecnologica, estetica e spesso storico-artistica degli edifici dove èinstallato l'impianto;

d) normativo: in base alle leggi dello Stato o della Regione che permettono o meno l'utilizzazione, per scopo di raffreddamento, delle acque freatiche o demaniali, o alle norme sulla rumorosità tollerata in funzione della destinazione (industriale o residenziale) della zona in cui sorge l'impianto.

Nella stragrande maggioranza delle nuove installazioni si preferisce l'impiego di un condensatore raffreddato con acqua trattata da una torre evaporativa (ad esempio, una torre costa meno dello scavo di un pozzo a 25/30 metri di profondità, o anche dell'impiego di materiali speciali per il condensatore (se si vuole usare acqua di mare).

 

Modifica di impianti esistenti

Si presenta spesso il problema di modificare impianti previsti per il raffreddamento con acqua freatica, quando questa non è più disponibile per esaurimento, o per provvedimenti restrittivi da parte delle Autorità, o perchè il costo ne rende troppo oneroso l'utilizzo. I metodi usati per sostituire l'acqua di pozzo come agente raffreddante sono i seguenti:

1. installazione di condensatori raffreddati ad aria;

2. installazione di una torre ad evaporazione oppure di un condensatore evaporativo, che è

un tipo particolare di torre evaporativa.

L'impiego di questi sistemi rispetto all'uso dell'acqua dei pozzi, se da un parte consente la drastica riduzione dei consumi e quindi della spesa per l'acqua, ha altre conseguenze assai importanti:

 

 

 

 

a) aumento del Consumo di energia per i compressoù;

b) diminuzione della resa frigorifera dell' impianto;

c) aumento del rapporto tra la pressione di condensazione e quella di evaporazione, e quindi peggioramento delle condizioni di funzionamento dei compressori Specie se alternativi.

La diminuzione di resa frigonfera non è particolarmente importante e, nella maggior parte dei casi, rientra nel margine previsto in fase di progetto; è Più sensibile invece l'aumento di assorbi mento di energia che, oltre alla maggior Spesa, può imporre la Sostituzione dei motori elettrici di comando dei compressori o la riduzione della velocità dei compressori stessi.

 

1. Installazione di condensatori raffreddati ad aria

L'uso dei condensatori raffreddati ad aria è senz'altro applicabile agli impianti di piccola pPotenza, o dove le condizioni climatiche lo rendano applicabile, o dove la mancanza di acqua è pressochè totale, o dove i periodi annui di funzionamento dell'impianto siano brevi o solo invernali. Per i grandi impianti l'impiego dei condensatori di questo tipo è meno conveniente rispetto alle torri o ai Condensatori evaporativi, per le maggiori dimensioni, peso e quindi Costo degli apparecchi, oltre che per le più forti potenze assorbite e la maggiore rumorosità dei ventilatori.

Inoltre, nel caso di trasformazione degli impianti esistenti, per eliminare i condensatori ad acqua già installati, occorre modificare profondamente il circuito frigorifero.

Infine, le temperature di condensazione che si Ottengono con il raffreddamento ad aria sono assai più alte di quelle ottenibili Con torri O con condensatori evaporativi.

Questo aggrava le conseguenze negative già esaminate rispetto all'impiego di acqua di Pozzo, in quanto la temperatura di Condensazione sarà di 5-6° C Più alta della temperatura ambiente, che a sua volta Supera di 8-9° C la temperatura del termometro umido.

L'unico punto a vantaggio della condensazione ad aria sta nel fatto che viene eliminata l'acqua, e questo può avere importanza in situazioni particolari.

2. Installazione di una torre o di un condensatore ad evaporazione

Il condensatore evaporativo contiene nello stesso apparecchio anche i tubi entro cui condensa il fluido frigorigeno e funziona sullo stesso Principio della torre evaporativa.

Nel Condensatore evaporativo l'acqua di raffreddamento viene Prelevata Con una Pompa dalla vasca di raccolta dell'acqua, e inviata agli ugelli che la spruzzano sui tubi entro Cui condensa il fluido frigongeno. Il calore di condensazione del fluido frigorigeno, trasmesso all'acqua attraverso la parete del tubo, provoca l'evaporazione di parte dell'acqua e cosi' il calore viene ceduto all'aria. Dei ventilatori assicurano una circolazione d'aria sufficiente al Prodursi del fenomeno.

quanto:

Negli impianti esistenti è in genere preferita al Condensatore evaporativo la torre evaporativa, in

a) l'uso di questo condensatore

obbliga a modificare anche le tubazioni del fluido frigorigeno e ad inutilizzare i Condensatori ad acqua già esistenti;

b) il condensatore evaporativo Costa di più della torre;

c) il Condensatore evaporativo pone più acuti problemi di corrosione. semplice.

Si tenga però Presente che, con l'impiego del condensatore evaporativo, l'impianto risulta più Le torri di raffreddamento consentono di ridurre i Consumi di acqua fino a valori compresi tra il 2% ed il 10% della quantità di acqua a Perdere che sarebbe necessaria e di Ottenere Condizioni Più adatte a determinati Processi tecnologici in rapporto all'impiego di acqua freatica, la cui bassa temperatura può generaare inconvenienti (esempio: raffreddamento dei cilindri dei compressori d'aria e dei motori diesel fissi).

Nelle figure sono schematizzati degli impianti con torri evaporative per alcune applicazioni tipiche:

- impianto frigorifero

- raffreddamento di condensatori barometrici

- raffreddamento di una centrale di compressione dell'aria

- impianto di colata continua di acciaio

INSTALLAZIONE DELLE TORRI EVAPORATIVE

Criteri generali

L'installazione di una torre evaporativa non presenta in genere problemi particolari; la posizion( adatta per la torre può essere scelta in base alle seguenti considerazioni:

-la torre deve essere sistemata in modo che l'afflusso dell'aria entrante nella torre, avvenga ir modo corretto evitando cioè che si verifichi una ricircolazione dell'aria che ha già attraversatc la torre;

- devono essere scartate posizioni prossime a fonti di calore o a scarichi di fumi, specie se contenenti prodotti corrosivi o inquinanti, sia pure in quantità limitatissime;

- si deve tenere presente che il trascinamento di goccioline di acqua nella corrente d'aria uscente, può dare luogo ad umidità nella zona circostante la torre, nonchè ad una certa distanza se soffia forte vento, umidità che col gelo si trasforma in neve o ghiaccio;

- la posizione, l'installazione ed il tipo della torre devono essere studiati accuratamente quando ci si trovi in zone dove esistono severi requisiti di silenziosità;

- pur essendo la torre evaporativa in genere non particolarmente pesante, quando l'installazione avviene su un tetto o su un terrazzo, deve essere controllata la resistenza delle strutture portanti ed eventualmente devono prevedersi opere di rinforzo; si tenga presente che il carico trasmesso da una torre si aggira sui 500 - 1000 kg/m2, a seconda dei tipi di costruzione;

- quando la torre viene installata sul terreno, occorre prevedere una piastra o travi di appoggio che consentano il livellamento dell'apparecchio. Infatti i ventilatori debbono lavorare con gli assi di rotazione in corretta posizione, per evitare sollecitazioni non previste durante il moto;

- per quanto riguarda il circuito idraulico, nel progetto devono essere rispettati tutti i criteri abitualmente seguiti per rendere minime le perdite di carico; naturalmente il circuito sarà tanto più semplice, e quindi meno costoso, quanto più la torre è vicina alle apparecchiature che utilizzano l'acqua trattata. Ciò si ottiene adottando il minor numero possibile di curve e scegliendo diametri opportuni per i tubi.

Funzionamento nel periodo invernale

Sono molto frequenti le applicazioni in cui la torre deve funzionare nel periodo invernale. Nascono allora i problemi del gelo dell'acqua contenuta nella vasca di raccolta, durante i periodi di arresto, e della formazione di ghiaccio sulle griglie di entrata aria, tra la girante del ventilatore e l'anello in cui ruota, nonchè nell'area attorno alla torre a causa degli spruzzi.

Al gelo dell'acqua nella vasca di raccolta si può ovviare prevedendo un riscaldatore elettrico o a vapore nella stessa, oppure la si può mantenere vuota con l'installazione di una vasca ausiliaria più bassa della torre, in ambiente non soggetto al gelo. La vasca ausiliaria deve essere dimensionata in modo:

- da raccogliere tutta l'acqua che si svuota dalla torre o dai tubi quando si arresta l'impianto;

- da garantire un congruo battente alla pompa di circolazione;

- da assicurare il riempimento e lo svuotamento delle tubazioni costituenti il circuito, senza disadescare la pompa.

Uno schema per un impianto di questo tipo è illustrato in figura.

La misura più efficace contro la formazione di ghiaccio attorno alla torre nel periodo invernale è senz'altro quella di arrestare il ventilatore.

Si evita così il trascinamento di goccioline e la forte condensazione e quindi il congelamento di parte del vapore acqueo contenuto nell'aria uscente, più calda dell'aria ambiente e molto umida, la quale diventa satura e sovrassatura non appena si raffredda fuoriuscendo dalla torre.

In condizioni di bassa temperatura esterna, il carico termico puÒ essere in genere smaltito anche senza l'ausilio del ventilatore, per convezione naturale e per conduzione.

L'arresto del ventilatore può effettuarsi manualmente oppure mediante uno dei sistemi citati al capitolo "Regolazione della temperatura"

Se il carico termico della torre è così elevato da rendere irraggiungibile la temperatura voluta per l'acqua uscente con ventilatore completamente fermo, comandando il ventilatore con un motore a doppia polarità si può, col funzionamento del ventilatore a velocità ridotta, diminuire notevolmente le formazioni di ghiaccio ed anche i consumi di energia elettrica.

Regolazione e controllo della temperatura

La torre di raffreddamento deve essere dimensionata in modo che la sua potenzialità sia tale da permettere, nei mesi estivi, con valori più alti della temperatura al bulbo umido, di smaltire il massimo carico termico possibile. Se non viene effettuata alcuna regolazione, nelle stagioni fresche o nelle ore notturne quando la temperatura a bulbo umido è minore, la torre potrà raffreddare l'acqua a temperatura più bassa.

Esiste tuttavia una gamma di processi di raffreddamento nei quali si esige che la temperatura dell'acqua non scenda sotto certi valori: si può agire a questo scopo sul ventilatore o sull'acqua che circola nella torre.

Il sistema più semplice è quello di azionare manualmente l'interruttore facendo funzionare a intermittenza il ventilatore.

Sovente si preferisce, invece, effettuare la regolazione automatica della temperatura dell'acqua raffreddata, in relazione alla temperatura esterna o al carico della torre, poichè l'intervento manuale può essere intempestivo o troppo grossolano.

Per la regolazione automatica si seguono in genere queste vie:

-arresto del ventilatore mediante un termostato installato nella vasca di raccolta, quando la temperatura dell'acqua uscente dalla torre è troppo bassa. Impiegando questo sistema, occorre scegliere con molta cura la temperatura di arresto del ventilatore e quella di avviamento (ossia il differenziale del termostato), in quanto un numero eccessivo di arresti e avviamenti potrebbe provocare danni meccanici al ventilatore e al motore per sollecitazione a fatica (Figura 1).

-Arresto del ventilatore, quando si prospetti il pericolo del gelo, con un termostato posto nell'aria ambiente, spesso in parallelo al precedente (Figura 2).

 

-Installazione di una valvola miscelatrice e di un tubo di corto circuito tra l'acqua calda entrante e quella raffreddata uscente dalla torre. Se la temperatura dell'acqua raffreddata diminuisce, la valvola miscelatrice a comando termostatico sull'acqua uscente dalla torre con-sente di operare il corto circuito di una parte dell'acqua entrante in torre, miscelandola a valle con quella uscente dalla torre stessa.

Quando la temperatura dell'acqua risulta essere quella desiderata, il termostato installato sul tubo di mandata all'utenza stabilizza la valvola miscelatrice.

La quantità di acqua cortocircuitata non dovrà però superare un terzo della portata totale, in modo che la torre di raffreddamento funzioni con una portata pari ad almeno due terzi di quella normale, ottenendo sempre un'irrigazione uniforme del materiale di riempimento.

Infatti la prevalenza nel distributore dell'acqua entrante in torre, non deve essere inferiore a 1,5

m.c.a.

Questo tipo di regolazione della temperatura può avere un differenziale molto piccolo e può essere resa precisa in misura tale da soddisfare quasi tutte le esigenze (Figura 3).

-Installazione di una valvola solenoide e di un tubo dì corto circuito tra l'acqua calda entrante e quella raffreddata uscente dalla torre. Questo sistema, molto simile a quello descritto al punto precedente, consente di ottenere una regolazione meno precisa ma pur sempre efficace. La valvola solenoide, montata sulla tubazione corto circuito, è comandata da un termosta-to il cui bulbo è installato sul tubo di mandata all'utenza (Figura 4).

Se la temperatura dell'acqua raffreddata diminuisce, la valvola solenoide consente di operare il corto circuito di una parte dell'acqua entrante in torre, miscelandola a valle con quella raffreddata uscente dalla torre stessa. Per quanto riguarda le limitazioni di portata dell'acqua cortocircuitata, vale quanto già detto al punto precedente.

- Miscelazione per aggiunta di acqua fresca. In genere il dimensionamento di una torre di raffreddamento è fatto in base alle condizioni dell'aria ambiente che si verificano durante i mesi estivi (temperature al bulbo umido medio-massimo).

Quando tali condizioni vengono superate per qualche ora o qualche giorno, e non sia possibile raggiungere durante tale periodo la temperatura normale dell'acqua raffreddata con l'uso della sola torre, si può ottenere tale temperatura mediante aggiunta di acqua fredda di pozzo o di acquedotto.

Nella maggior parte dei casi basterà una regolazione manuale della portata dell'acqua fresca. Per risparmiare acqua conviene un sistema automatico realizzabile mediante l'impiego di una valvola motorizzata modulante, comandata da un termostato immerso nella vasca di raccolta dell'acqua ed installata sulla tubazione di adduzione dell'acqua fredda.

Da notare, che la temperatura raggiungibile dalla miscela d'acqua dipende dal rapporto tra la portata d'acqua circolante nella torre e la quantità d'acqua fredda aggiunta, nonché dalla loro temperatura. Ad esempio, miscelando 1000 litri d'acqua alla temperatura di 32° C, con 100 litri d'acqua alla temperatura di 15° C, si otterranno 1100 litri d'acqua alla temperatura di circa 30° C (Figura 5).

Regolazione e controllo della capacità

Se un circuito di raffreddamento serve più utenze, è bene mantenere inalterata la quantità d'acqua circolante attraverso la torre, anche quando uno o più scambiatori di calore vengono esclusi.

Se l'esclusione di uno o più scambiatori arresta la relativa quota-parte di flusso dell'acqua, il carico idraulico della torre varia continuamente, provocando una non perfetta irrorazione del pacco di riempimento.

E' opportuno pertanto, nei limiti del possibile, mantenere costante la quantità d'acqua inviata alla torre, cortocircuitando la circolazione dell'acqua nello scambiatore escluso.

Ciò può essere ottenuto, mediante una regolazione automatica, nei vari modi qui di seguito riportati:

-Installazione sul circuito dell'acqua raffreddata, prima di ogni scambiatore o utenza, di una valvola a tre vie modulanti comandata da un termostato il cui bulbo è installato sull'entrata del circuito primario dello scambiatore stesso. Quando tutte le utenze sono escluse, tutta la portata d'acqua passa attraverso i corto-circuiti, a meno che la circolazione non venga totalmente arrestata. In questo modo la portata d'acqua nella torre di raffreddamento rimane costante (Figura 1).

- Installazione di valvole regolatrici e vasca intermedia. Questo sistema di regolazione della capacità prevede la suddivisione del circuito dell'acqua di raffreddamento in un "circuito di torre" e in un "circuito di utenza". La vasca di raccolta delle acque è suddivisa in un bacino per l'acqua fredda e in uno per l'acqua calda. Essi sono collegati da un troppo pieno in modo che, quando il livello dell'acqua in uno dei bacini supera il livello di troppo pieno, l'acqua rifluisca nell'altro bacino. L'acqua calda che ritorna dalle utenze viene inviata alla torre dalla pompa relativa. L'acqua raffreddata dalla torre ricade nella vasca dell'acqua fredda, da dove viene mandata alle varie utenze. La quantità d'acqua di raffreddamento occorrente per ciascuna utenza può essere così regolata manualmente o automaticamente, senza alterare il circuito della torre. Se più utenze vengono messe fuori servizio, aumenta la pressione nel circuito ed è opportuno deviare l'acqua in eccesso nel bacino dell'acqua fredda mediante una valvola pressostatica. Il motore della pompa dell'acqua calda o del ventilatore della torre pos sono essere comandati da un termostato (con le avvertenze di cui al paragrafo "Regolazioni della temperatura " (Figura 2

-Alimentazione delle utenze con autoclave e inserzione di una vasca intermedia. E' raccomandabile quando ad un circuito siano còllegati più apparecchi a funzionamento intermittente e con fattore di contemporaneità molto variabile. Si predispone una vasca divisa in due sezioni, una per le acque calde ed una per le acque fredde. Dalla prima sezione, una pompa preleva le acque calde inviatevi dalle utenze e le invia alla torre da cui fluiscono, dopo il raffreddamento, alla sezione delle acque fredde. Da quest'ultima l'acqua viene prelevata da una pompa e inviata ad un'autoclave in cui viene mantenuta, al di sopra dell'acqua, una pressione quasi costante. Un termostato posto sulla vasca delle acque fredde comanda la marcia del ventilatore della torre. Quando tutte le utenze sono ferme, ossia quando alla vasca delle acque calde non ritorna più acqua, anche la pompa delle acque calde viene arrestata. La marcia della pompa delle acque fredde viene comandata da un livellostato, posto sull'autoclave, sensibile alle variazioni di livello dell'acqua. La regolazione deve essere fatta in modo che le interruzioni e riprese del moto

non siano più di sei all'ora (Figura 3) E


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