Questo perché quando solidifica a basse temperature, cambiando di stato, le particelle di ghiaccio si dispongono in una configurazione esagonale, espandendosi. Ecco che l’acqua quando ghiaccia diminuisce di densità aumentando di volume, ragion per cui galleggia sull’acqua allo stato liquido.

Questo fenomeno di aumento di volume al cambiare di stato fisico dell’acqua, certamente curioso, è però anche molto pericoloso per tubazioni e impianti industriali, serbatoi o in generale per contenitori che hanno un volume fisso. Nel momento in cui l’acqua ghiaccia e si espande, questi si spaccano. Esempi di scambiatori di calore spaccati dal congelamento dell’acqua sono molto comuni.

Come si previene allora il problema? Aggiungendo antigelo all’acqua negli impianti industriali quando sono installati all’esterno, poiché durante la stagione invernale possono raggiungere temperature molto basse. Oppure quando i fluidi impiegati vengono raffreddati da un gruppo frigorifero a temperature vicine allo zero o al di sotto.

La concentrazione di antigelo dipenderà quindi dal livello di temperatura da raggiungere, o dalla temperatura ambiente stimata nella stagione più fredda. Occorre quindi avere estrema cura negli interventi di manutenzione di controllare periodicamente il livello di concentrazione dell’antigelo, per cui esistono appositi strumenti, chiamati densimetri, dal costo anche molto contenuto. Questi sono impiegati per verificare che la concentrazione di glicol nell’acqua sia adeguata alle temperature coinvolte.

Attenzione, quindi, perché il ghiaccio spacca davvero tutto!

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La scelta dipende innanzitutto dal livello di temperatura dell’acqua di raffreddamento richiesto. Chiaramente, se occorre acqua a 10° C, per esempio, o addirittura a 0° C o sotto zero, l’unica opzione possibile è il gruppo frigorifero, o chiller.

Vi sono poi però molte situazioni intermedie, dove l’acqua di raffreddamento è richiesta a temperature leggermente più elevate, per esempio 20-25 o 30° C, per cui sempre di acqua fredda si parla ma che può essere ottenuta sfruttando altre soluzioni. Ognuna delle quali presenta i suoi vantaggi e svantaggi, naturalmente.

Il gruppo frigorifero è il tipo di macchina termica che meno di tutte risente delle condizioni ambientali, se adeguatamente progettata. Vi sono chiaramente gruppi frigoriferi tropicalizzati che possono operare anche a temperature ambientali elevate, e che grazie ad appositi accorgimenti sono poi in grado di lavorare anche in condizioni invernali. Si parla qui di ventilatori EC, che provvedono alla variazione della velocità di condensazione.

Quando l’acqua di raffreddamento è richiesta a 25-30° C, è lì che si apre il dubbio se scegliere chiller, torre evaporativa o dry cooler. Tutto dipende dalle condizioni ambientali. Una torre evaporativa alle nostre latitudini, parlo di Italia del nord e centrale, Europa in generale, consente di ottenere acqua fredda a 29-30 o 31° C circa. Il dry cooler a questi livelli di temperatura inizia invece a faticare, in quanto il suo effetto raffreddante dipende strettamente dalla temperatura ambiente. Pertanto, durante la stagione estiva, con temperature che arrivano a 30-35° C, potremo avere acqua a temperature più alte di circa 5° C, quindi acqua a 35-40° C. E’ però vero che durante l’inverno, o nella mezza stagione, un dry cooler permette di avere acqua fredda alla temperatura desiderata.

Nel confronto tra torre evaporativa e dry cooler, la prima ha il vantaggio di avere acqua in circuito aperto, mentre il dry cooler ha un circuito chiuso dell’acqua, con effetti sulle performance. Avere un circuito chiuso però elimina gli effetti della polvere nell’aria e l’evaporazione dell’acqua, senza quindi consumo di acqua che porta alla sua concentrazione, rendendo necessario un reintegro di acqua trattata.

Di contro, con un circuito chiuso occorre fare attenzione al congelamento dell’acqua durante l’inverno, onde evitare la rottura dei tubi, e quindi occorre fare ricorso al glicol.

E’ insomma un discorso abbastanza complesso, che caso per caso va valutato per trovare la soluzione migliore. Uno dei trend oggi in corso è abbinare dei chiller ai dry cooler, o free cooling, che durante l’inverno possono sopperire al funzionamento del gruppo frigorifero, consentendo così di spegnere i compressori. Ottenendo significativi risparmi energetici. Lo stesso sistema di free cooling può essere ottenuto usando una torre evaporativa, ma in questo caso è consigliabile interporre uno scambiatore di calore, in quanto la torre a circuito aperto va incontro a contaminazione dell’acqua, che andrebbe trattata per non fornire acqua contaminata al processo produttivo.

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Nella produzione industriale, l’energia termica è una presenza quasi sempre imprescindibile. Molti processi produttivi infatti utilizzano il calore per svariate lavorazioni alimentari, industriali, del tessile, del vetro e della ceramica, della chimica e della petrolchimica, della metallurgia.
Molti di questi processi hanno come residuo di lavorazione, oltre che parte dei materiali lavorati, anche molta energia termica che viene persa a valle dei processi produttivi. Questa energia prende il nome di cascame di calore, o cascame termico (waste heat, in inglese) e si presenta in varie forme: dai fumi di combustione di un forno, o di un motore a combustione interna, dagli scarichi di una turbina o di un cogeneratore, da vapore in uscita da un impianto di trattamento termico o di essicazione, ecc.

Nelle stesse realtà produttive, all’interno dell’intero processo, ma in un diverso punto della catena di produzione, vi potrebbe anche essere necessità di un sistema di raffreddamento, che anch’esso necessita di energia, ma in questo caso con segno negativo, cioè una richiesta di raffreddamento termico.
E’ in questo contesto che diventa particolarmente interessante l’utilizzo di un’apparecchiatura in grado di utilizzare i cascami termici di un processo per generare dell’energia frigorifera, senza aggravi di consumi energetici, recuperando vantaggiosamente il calore altrimenti disperso.

I cascami termici possono essere classificati in 3 diverse categorie: ad alta temperatura (maggiori di 650°C), a media temperatura (tra 650°C a 225°C) e a bassa temperatura (fino a 225°C).
I cascami a media ed alta temperatura sono la forma più ‘pregiata’ dei cascami in quanto possono essere sfruttati sia direttamente che per alimentare altre apparecchiature, come cogeneratori (per la produzione di energia elettrica e calore) e assorbitori (per la produzione di energia frigorifera). Il calore a bassa temperatura può invece essere utilizzato sottoforma di aria o acqua calda per il riscaldamento o il pre-riscaldo di altri processi produttivi che richiedono, appunto basse temperature.

La produzione del freddo con cascami termici a media-alta temperatura
Gli elementi base per la realizzazione di un impianto di produzione del freddo che utilizza cascami termici, si possono sintetizzare in:
– cascame ad una temperatura maggiore a 220°C e di portata adeguata.
– scambiatore di calore, in grado di trasferire il calore dal cascame (ad esempio fumi di combustione di un forno) al fluido di scambio (olio diatermico o acqua pressurizzata).
– un circuito di distribuzione del fluido di scambio fino all’assorbitore.
– l’assorbitore a fiamma indiretta (Indirect Fired) per la produzione del freddo.

L’unica energia da aggiungere in questo processo è quella elettrica per il funzionamento degli organi ausiliari, tipicamente pompe di circolazione e ventilatori.

Le unità ad assorbimento Power Fluid Robur
La produzione del freddo con un assorbitore Power Fluid Robur è possibile grazie alle peculiari caratteristiche di questa unità, che utilizza al meglio il calore proveniente da un processo tecnologico. Il suo funzionamento interno è riassunto in questo schema.

Il ciclo termodinamico, che prevede l’utilizzo di una soluzione di acqua e ammoniaca racchiusa in un circuito totalmente ermetico (e non soggetto a ripristino, rabbocchi o sostituzione) è attivato dal calore del cascame, che riscalda il generatore per mezzo di una serpentina, nella quale circola olio diatermico o acqua calda pressurizzata.

La condensazione avviene in aria, quindi senza l’ausilio né la necessità di una torre evaporativa (evitando quindi la realizzazione del relativo circuito idraulico e dispositivi di controllo e regolazione).

I vantaggi offerti da Power Fluid
In ogni realtà produttiva che prevede un cascame di calore sopra i 200°C e la necessità di energia frigorifera per il processo tecnologico: metallurgica, chimica, del vetro e del cemento, agro-alimentare, lattiero-casearia, l’utilizzo di unità Power Fluid potrebbe risultare molto vantaggioso in termini di risparmio energetico, offrendo la possibilità di ottimizzare la catena di produzione e l’efficienza dell’intero processo produttivo.

Queste unità hanno caratteristiche particolarmente vantaggiose per gli usi tecnologici, in quanto:
– sono semplici nella realizzazione dell’impianto, in quanto non utilizzano torri evaporative, non occupano altro spazio e sono installabili all’esterno.
– sono molto affidabili, in quanto il ciclo termodinamico di queste unità è praticamente statico (solo 2 parti in movimento compreso il ventilatore), caratteristica che consente una lunga durata di funzionamento senza pressoché alcuna perdita di efficienza.
– hanno un ampio campo di funzionamento, sia dell’aria esterna (condensazione), sia dell’acqua fredda in mandata, che può essere prodotta fino a -10°C.
– non richiedono pratiche o autorizzazioni o denunce per l’utilizzo del refrigerante, in quanto utilizza ammoniaca, refrigerante del tutto naturale (valori di ODP e GWP pari a zero).
– è conveniente economicamente, in particolare se viene utilizzata per molte ore/anno di funzionamento, in quanto tutta l’energia frigorifera prodotta è di fatto gratuita.

Verifica preliminare della fattibilità dell’impianto di recupero
Prima di procedere ad una valutazione dettagliata dalla soluzione, è opportuno preliminarmente verificare i seguenti punti:
– disponibilità di cascame termico ad una temperatura superiore a 220-240°C. Questa condizione è vincolante per ottenere fluido intermedio di scambio per alimentare l’assorbitore ad una temperatura sufficiente ad innescare il ciclo termodinamico con efficienza.
– contemporaneità di disponibilità di calore di recupero e richiesta di energia frigorifera. L’energia frigorifera erogata dall’assorbitore è subordinata alla presenza di cascami termici utili ad alimentarlo. E’ sempre possibile stoccare l’energia frigorifera eventualmente in eccesso, ma questa condizione richiede un maggiore investimento nell’impianto del circuito frigorifero e quindi va valutata con attenzione.
– ore di funzionamento/potenza frigorifera richiesta per definire il tempo di rientro dell’investimento. Questo indice, come detto, tanto è più elevato, tanto minore sarà il tempo di rientro dell’investimento, in quanto tutta l’energia frigorifera prodotta in modo gratuito coprirà, nel tempo, i costi di investimento dell’impianto realizzato.

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La pompa di calore funziona in pratica come un frigorifero in estate, sottraendo calore all’ambiente da condizionare tramite uno scambiatore freddo, detto evaporatore, dove evapora il gas frigorigeno ed evaporando assorbe energia, ossia il calore dall’aria, dal liquido o dal fluido da raffreddare, producendo l’effetto percepito di ‘emettere freddo’. Il gas porta quindi il calore sottratto dall’ambiente allo scambiatore caldo, detto condensatore, disperdendo energia verso l’esterno ed emettendo pertanto caldo.

Una valvola di inversione di ciclo provvede in inverno a invertire la funzionalità dei due scambiatori, ossia il condensatore diventa un evaporatore e sottrae calore dall’ambiente esterno, incanalandolo all’ex evaporatore che diventa condensatore, e che veicola il calore all’interno dell’ambiente da riscaldare.

Ovviamente, in inverno essendo l’ambiente esterno molto freddo e magari umido, l’evaporatore esterno tende a ghiacciarsi, quindi ogni tanto avviene un ciclo di sbrinamento (si inverte il ciclo per qualche minuto) e si fa passare il gas caldo nello scambiatore esterno per sciogliere il ghiaccio che dovesse essersi formato, ripristinando l’efficienza e facendo poi ripartire il tutto in funzione invernale. Tutto questo avviene in automatico.
Durante il ciclo di sbrinamento nell’ambiente interno non si avrà il riscaldamento, ma si tratta di una fase che solitamente dura solo qualche minuto.

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Il fluido antigelo T Unfreeze di Tempco a base di glicole monoetilenico garantisce eccellente protezione dal gelo, unendo protezione dalla corrosione e dalle incrostazioni negli impianti idraulici, assicurando massima efficienza di scambio termico e lunga durata.

E voi, avete preparato i vostri impianti ad affrontare la stagione fredda senza timori?

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Fondamentale onde evitare costose rotture nelle tubazioni dovute al gelo, ecco una preziosa tabella dalla sezione Risorse nel sito Tempco che riporta le temperature di congelamento delle soluzioni anticongelanti più diffuse.

http://www.tempco.it/wp-content/uploads/2012/12/Temperature-di-congelamento_freezpoints.pdf

Altri articoli correlati:

https://www.tempco.it/blog/786/gelo-e-danni-negli-scambiatori-di-calore-ariaacqua/

https://www.tempco.it/blog/1989/freddo-ghiaccio-e-circuiti-idraulici/

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Slurry ice e Neve artificiale – cortesemente da www.nevexn.com

Impiegato come fluido frigotrasportatore bifasico (liquido-solido), presenta elevata efficienza di scambio termico proprio in virtù della grande area superficiale offerta dai cristalli di ghiaccio in sospensione, facendone un’innovativa tipologia di fluido frigorigeno dalle infinite applicazioni per il raffreddamento nell’industria di processo, in settori quali l’alimentare, l’edilizia e il sanitario, unendo efficienza energetica e riduzione dei costi operativi.

Strettamente correlato, e di recente presentazione, è l’interessante lavoro portato avanti da una startup trentina, che ha messo a punto una speciale tecnologia per la produzione di slurry ice e di neve di alta qualità anche al di sopra dello zero termico: si tratta di NeveXN, una macchina che produce neve perenne impiegando un processo totalmente green e sostenibile, senza fare uso di alcun additivo.

NeveXN, l’innovativa macchina per innevamento artificiale prodotta dall’omonima startup trentina. www.nevexn.com

Il progetto è nato nel 2010, prendendo il via dagli studi di Francesco Besana, ingegnere meccanico e ricercatore nell’ambito del solar cooling, o raffrescamento solare. Il prototipo realizzato è un cannone per innevamento artificiale in grado di creare la neve a partire da acqua e vapore, in maniera ecosostenibile e indipendentemente dalla temperatura esterna. In particolare, NeveXN impiega il ciclo termodinamico dell’acqua per produrre ice slurry da vapore acqueo, che quindi con l’aggiunta di sale cristallizza trasformandosi in neve.

Prototipo NeveXN per produzione sostenibile di neve artificiale al di sopra dello zero termico

La nuova tecnologia green è di grande interesse, in quanto può integrare in maniera sostenibile ed efficace i tradizionali cannoni per la produzione di neve artificiale, producendo neve di alta qualità anche a temperature sopra lo 0°: ciò è ovviamente di grande rilevanza per turismo e sport invernali, in quanto con il progressivo aumento delle temperature medie nelle località di montagna rappresenta una nuova strategia per l’innevamento, in grado di garantire piste innevate alla perfezione per tutta la durata della stagione invernale, senza più dipendere dalle condizioni meteo e dalle temperature esterne effettive.

L'articolo Slurry ice, innovazione green nel raffreddamento proviene da Tempco Blog.

Come abbiamo spesso sottolineato dalle pagine di questo blog, è importantissimo avere gli impianti correttamente addittivati di antigelo.

Quest’anno il nostro ufficio tecnico, in collaborazione con la divisione service, hanno messo in atto una campagna di avvisi, sulla scorta dello scorso inverno, dove abbiamo avuto un incremento di rotture da gelo esponenziale.

Abbiamo altresì preparato a stock, una ingente quantità di glicole monoetilenico inibito, del tipo a protezione totale  T UNFREEZE, allo scopo di fornire ai nostri clienti la massima assistenza in caso di necessità:

• protezione contro il gelo
• protezione contro le incrostazioni
• lunga durata

Contattate il nostro servizio assistenza e soprattutto controllate il vostro impianto.

T UNFREEZE

L'articolo Antigelo a protezione totale proviene da Tempco Blog.

spesso ne ho parlato, ma giova riproporlo quando arriva il gelo.

https://www.tempco.it/blog/2279/antigelo-a-lunga-durata-long-life/

https://www.tempco.it/blog/2166/riparare-gli-scambiatori-di-calore/

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L'articolo Ghiaccio = breakdown proviene da Tempco Blog.

L’antigelo deve però avere determinate caratteristiche per poter essere utilizzato negli impianti, in primo luogo deve essere “INIBITO”, ovvero non sviluppare azioni aggressive di corrosione nelle tubazioni entro le quali circola.

In secondo luogo deve essere “ATTIVO”, in pratica dopo un periodo di utilizzo, l’antigelo decade e perde le sue caratteristiche chimico fisiche, va quindi sostituito.

Entrambe queste due caratteristiche sono intimamente collegate. Il costo della sostituzione dell’antigelo in un impianto, può essere anche parecchio oneroso, in caso di grandi volumi in gioco.

Proprio per questa ragione sono stati sviluppati dei glicoli cosiddetti “long life”, ovvero di lunga durata, che grazie alla loro formulazione chimica, oltre a garantire una maggiore durata, garantiscono una maggiore efficienza di inibizione.

Questi nuovi fluidi antigelo, consentono anche di migliorare lo scambio termico, proprio grazie alla loro azione di inibizione (prevenzione della corrosione) mirata.

L'articolo Antigelo a lunga durata…long life proviene da Tempco Blog.