In ambito industriale il chiller rappresenta una delle soluzioni per il raffreddamento più utilizzate. Ma in cosa consiste e come funziona?
Nelle prossime righe osserveremo da vicino tutti gli elementi che lo caratterizzano, il suo funzionamento e le diverse tipologie esistenti.
Che cos’è un chiller?
Il chiller, chiamato anche gruppo frigorifero o refrigeratore, è una macchina frigorifera progettata per raffreddare un fluido, in genere acqua oppure una miscela di acqua e glicole. Il suo obiettivo è portare il fluido alla temperatura necessaria per ottenere condizioni ottimali nell’ambiente di lavoro.
Nella pratica, la sua funzione consiste nel sottrarre calore a un fluido termovettore e trasferirlo all’esterno sfruttando il cosiddetto ciclo frigorifero (lo esamineremo più avanti). In altri termini, il chiller industriale non crea freddo in senso assoluto, ma rimuove calore da un circuito per poi smaltirlo successivamente.
A cosa serve un chiller industriale?
In ambito industriale può risultare preziosissimo: grazie alla sua capacità di termoregolazione consente di mantenere stabili le condizioni termiche di una lavorazione, di una linea o di una macchina.
Infatti, in certi contesti una temperatura eccessiva può compromettere la qualità del prodotto finale, alterare il comportamento delle materie prime oppure incidere negativamente sull’efficienza delle apparecchiature. Di conseguenza, il controllo termico offerto da un impianto chiller è a dir poco essenziale ai fini del processo produttivo.
I gruppi frigoriferi trovano applicazione in numerosi settori. I più comuni sono:
- alimentare;
- chimico;
- farmaceutico;
- plastica;
- manifatturiero;
- automotive.
Come funziona un chiller?
Il funzionamento di un chiller si basa su un principio termodinamico: la macchina assorbe il calore dal fluido che deve essere raffreddato e lo trasferisce verso l’esterno. Questo processo avviene attraverso un ciclo chiuso che si ripete in modo continuo.
L’elemento centrale del sistema è il fluido refrigerante. Durante il ciclo, cambia pressione, temperatura e stato fisico. Attraverso queste trasformazioni può assorbire calore in una fase e cederlo in un’altra, rendendo così possibile il raffreddamento del fluido stesso.
I chiller industriali più comuni sono quelli a compressione. In questi modelli si distinguono due circuiti collegati tra loro. Il primo è quello del fluido da raffreddare, cioè l’acqua o la miscela impiegata nel processo. Il secondo è il circuito del refrigerante, che ha il compito di prelevare il calore dal primo circuito e di trasferirlo all’esterno. Il raffreddamento nasce dunque dallo scambio termico tra questi due percorsi.
Le fasi del ciclo frigorifero a compressione
Passiamo ora ad osservare nella pratica come si articola il funzionamento del chiller industriale. Innanzitutto, indichiamo i componenti che lo caratterizzano:
- compressore;
- condensatore;
- valvola di espansione;
- evaporatore.
Quale ruolo svolgono all’interno del ciclo frigorifero?
La prima fase che contraddistingue il funzionamento di un chiller è la compressione. Il refrigerante entra nel compressore a bassa pressione e viene ovviamente compresso. In questo modo aumentano sia la pressione sia la temperatura del fluido, fornendo l’energia necessaria per il prosieguo del ciclo.
Segue la condensazione. Il refrigerante arriva al condensatore e cede calore. Durante questa fase passa dallo stato gassoso a quello liquido. È qui che il sistema scarica all’esterno il calore sottratto al circuito di processo.
Dopo la condensazione avviene l’espansione. Il refrigerante attraversa una valvola di espansione, e subisce una brusca diminuzione di pressione. Di conseguenza si abbassa anche la sua temperatura, preparandolo alla fase in cui dovrà assorbire nuovo calore.
L’ultima fase è l’evaporazione. All’interno dell’evaporatore il refrigerante assorbe il calore proveniente dal fluido da raffreddare e torna allo stato gassoso. In questo passaggio si realizza il raffreddamento vero e proprio. Una volta conclusa l’evaporazione, il refrigerante rientra nel compressore e il ciclo ricomincia.
Quali sono le principali tipologie di chiller?
Abbiamo già sottolineato quanto i chiller industriali a compressione risultino quelli più diffusi. Tuttavia, esistono anche i chiller ad assorbimento. Qual è la differenza?
Entrambe le tecnologie rispondono alla stessa esigenza, cioè raffreddare un fluido e mantenere sotto controllo la temperatura di un impianto o di un processo. Ciò nonostante, lo fanno con principi di funzionamento differenti.
Nel paragrafo precedente siamo entrati nel dettaglio del funzionamento del chiller a compressione. All’interno di questa famiglia di refrigeratori le configurazioni principali sono due: i chiller condensati ad aria e i chiller condensati ad acqua.
Nei primi il calore viene dissipato nell’aria attraverso ventole, mentre nei secondi la condensazione avviene tramite uno scambiatore ad acqua. In sostanza, non cambia il principio generale del ciclo frigorifero, ma incide sul modo in cui il calore viene smaltito e sul comportamento complessivo della macchina.
I chiller condensati ad acqua sono tendenzialmente più efficienti e consumano meno energia. Al tempo stesso richiedono disponibilità di acqua e la presenza di sistemi adatti alla dissipazione del calore. Al contrario, quelli condensati ad aria necessitano di un impianto meno complesso, ma le ventole, oltre a consumare un maggior quantitativo di energia, possono risultare anche rumorose.
Il funzionamento del chiller ad assorbimento
Il chiller ad assorbimento segue invece una logica diversa. In questo caso la produzione del freddo non dipende da un compressore meccanico, ma dall’impiego di una coppia di fluidi e da una fonte di calore. Proprio per tale motivo sono meno comuni: i sistemi ad assorbimento richiedono energia termica da sfruttare, come gas, calore di scarto industriale, cogenerazione o solare termico.
Le fasi che caratterizzano il suo funzionamento sono le seguenti:
- apporto di calore: La fonte termica utilizzata alimenta il sistema;
- separazione della miscela. Il calore separa i componenti della coppia di fluidi, che a seconda della composizione, sono acqua-ammoniaca oppure bromuro di litio-acqua.
- ciclo del refrigerante.Il refrigerante separato continua il ciclo frigorifero: cede calore, si espande e poi evapora assorbendo calore dal fluido da raffreddare. È qui che si ottiene l’effetto refrigerante;
- assorbimento e ripartenza del ciclo. Dopo aver svolto la sua funzione, il refrigerante viene nuovamente assorbito dalla soluzione e il processo ricomincia.
Nel sistema acqua-ammoniaca, l’ammoniaca svolge il ruolo di refrigerante e l’acqua quello di assorbente. Nel sistema bromuro di litio-acqua, invece, il refrigerante è l’acqua e il bromuro di litio agisce come assorbente.
I primi trovano impiego in ambiti come logistica alimentare, birrifici, caseifici, industria chimica e farmaceutica: i processi produttivi dei settori citati producono numerose quantità di calore che possono essere valorizzate in questa tipologia di impianti chiller.
I sistemi bromuro di litio-acqua, invece, sono indicati soprattutto per applicazioni di raffrescamento alimentate da cascame di calore. Con questo termine si indica l’energia termica residua prodotta da un processo industriale che, se non venisse recuperata, sarebbe semplicemente dispersa nell’ambiente. Tra queste fonti troviamo i fumi di combustione, gli scarichi di turbine o cogeneratori e il vapore generato da alcuni processi.
Quali temperature possono raggiungere i chiller industriali?
Le temperature raggiungibili dai chiller industriali dipendono dalla tecnologia impiegata e dal tipo di applicazione per cui la macchina viene utilizzata. Non tutti i sistemi frigoriferi, infatti, lavorano nello stesso intervallo termico.
Partiamo dai chiller a compressione di vapore. Possono lavorare su intervalli termici molto estesi e, nelle applicazioni industriali, arrivano anche a temperature ampiamente sottozero. Non a caso, vengono utilizzati nella refrigerazione alimentare e nei processi di surgelazione, dove possono garantire temperature costanti sotto i -20°C. Alcuni modelli possono addirittura arrivare a –40°C.
I chiller ad assorbimento acqua-ammoniaca possono anch’essi lavorare a temperature inferiori allo zero, ma offrono un intervallo termico più contenuto rispetto ai gruppi a compressione. Il range è compreso tra -10 °C e +30 °C.
Al contrario, nei chiller ad assorbimento bromuro di litio-acqua, l’intervallo termico fornito è più alto. Il range riportato è compreso tra +7 °C e +15 °C. Ciò significa che possono essere utilizzati per gli impianti di raffrescamento dell’aria, ma nono sono adatti né alle applicazioni sottozero, né alla produzione di acqua a bassa temperatura.
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