Torri di Raffreddamento: cosa sono, come funzionano, come manutenerle

Tutti gli impianti industriali, così come quelli di condizionamento dell’aria o di refrigerazione o di produzione di energia, sono caratterizzati da emissioni di calore più o meno importanti in termini quantitativi. Questo calore “residuo” presenta, tranne in pochi casi, un basso contenuto energetico che non ne rende possibile o conveniente il recupero. Pertanto deve essere in qualche modo dissipato all’esterno.

Tra le diverse soluzioni disponibili per tale scopo, in questo articolo ci occuperemo delle torri di raffreddamento, riconosciute ad oggi tra le tecnologie più efficienti che il mercato offre.

Di Giorgio Lorenzetti, Technical Advisor di MITA Cooling Technologies

1. Torri evaporative o di raffreddamento: cosa sono e come funzionano

La sezione qui di seguito potrà rispondere a tutte le seguenti domande che spesso vengono poste.

• “Cosa sono le torri di raffreddamento, a cosa servono e come funzionano?”
• “Dove e perché vengono utilizzate? Perché sono necessarie?”
• “Qual è la definizione di ‘torre di raffreddamento’ o ‘torre evaporativa’?”
• “Cosa significa ‘evaporativo’?”

1.1. Torri evaporative: cosa sono e dove sono utili

Le torri evaporative o torri di raffreddamento sono dispositivi che sfruttano in modo ottimale un principio naturale tanto semplice quanto efficace: l’evaporazione forzata di una minima quantità d’acqua, rispetto alla massa principale, avviene per sottrazione di calore alla massa medesima; la quale, pertanto, si raffredda (calore latente di evaporazione).

Il processo secondo il quale avviene il raffreddamento evaporativo è tanto semplice quanto antico: le anfore arcaiche realizzate in terracotta, materiale poroso, permettevano all’acqua di trasudare verso l’esterno in minima quantità. In questo modo, si realizzava un processo evaporativo: l’acqua all’interno si manteneva fresca anche in presenza di temperature ambientali elevate.

1.2. Le torri di raffreddamento sfruttano il calore latente di evaporazione

Le torri evaporative (o di raffreddamento) sono in grado di realizzare al meglio il processo di scambio termico acqua/aria: in esse viene forzato il fenomeno di evaporazione mediante l’utilizzo di componenti semplici, efficaci e che, in generale, necessitano di minima manutenzione.

Per capire meglio come avvenga la sottrazione di calore, è necessario introdurre due concetti.

• Calore sensibile. È la quantità di energia calorifica che viene aggiunta o sottratta ad un elemento fisico (ad esempio una batteria alettata) per modificarne la temperatura.
• Calore latente. Si basa fondamentalmente sul cambio di stato che una sostanza può subire a seguito di aggiunta o perdita di calore. Nel caso dell’acqua, questa può passare da una fase liquida ad una fase solida (ghiaccio) se, arrivati al punto di congelamento, le si sottrae calore. Oppure, può passare da una fase liquida ad una gassosa (vapore) se, arrivati al punto di ebollizione, le si immette calore. Si definisce quindi calore latente il calore che viene immesso o tolto per cambiare di stato all’acqua. In particolare, nei sistemi di raffreddamento evaporativi, viene definito calore latente di evaporazione.

Una torre evaporativa ben progettata è in grado di offrire all’acqua la maggior superficie possibile di contatto con l’aria, in modo che lo scambio termico latente sia ottimale.

Per rendere possibile questo scambio termico, la torre evaporativa deve quindi essere in grado di offrire una superfice di contatto aria / acqua molto elevata. Questo lo si ottiene mediante un pacco di scambio termico, adeguatamente progettato per lo scopo, e di un ventilatore in grado di movimentare un volume d’aria definito secondo ben precisi parametri. Vedremo nel dettaglio l’utilità di questi componenti interni.

1.3. La temperatura di bulbo umido

Un importante concetto fisico permette di capire meglio come funzionano le torri di raffreddamento: è la temperatura al bulbo umido, fondamentale nella teoria di funzionamento di tutti i sistemi evaporativi ed in particolare nelle torri di raffreddamento.

In pratica, questo parametro definisce con precisione quali sono le “peggiori” condizioni di temperatura e umidità relativa della zona di installazione. Esso fornisce un riferimento preciso in merito alla temperatura in output teoricamente raggiungibile dalla torre evaporativa.

1.4. L’efficienza delle torri di raffreddamento

Data la loro semplicità costruttiva, unita alla grande efficienza in termini di rapporto costo/kW dissipati, le torri evaporative sono ancora oggi il dispositivo di raffreddamento più utilizzato sia in ambito civile sia, soprattutto, industriale: non ci sono particolari organi in movimento, se non un ventilatore (che può essere posto sia in aspirazione che in mandata). L’utilizzo di nergia elettrica è d’altra parte veramente modesto, se rapportato con altri sistemi in uso per gli stessi scopi.

Soprattutto in presenza di elevate quantità di calore da dissipare (esempio: acciaierie, impianti chimici, centrali per la produzione di energia elettrica), le torri evaporative non hanno rivali in termini di potenza elettrica impiegata e gli spazi contenuti necessari per la loro installazione.

Senza dimenticare che le temperature raggiungibili in termini di acqua raffreddata sono ben al di sotto della temperatura ambiente: al contrario ad esempio dei sistemi con batterie alettate, che invece sono vincolate a questo limite. Ciò è dovuto al fatto che i sistemi evaporativi funzionano sfruttando lo scambio latente di evaporazione (il limite minimo raggiungibile dall’acqua è la temperatura di bulbo umido).

1.5. Tecnologie di raffreddamento a confronto: raffreddatori evaporativi, dry, adiabatici e meccanici

Quando si ha necessità di realizzare un impianto di raffreddamentoindustriale o civile, la scelta deve essere compiuta considerando alcuni punti fondamentali per utilizzare il sistema più idoneo. In particolare, vanno tenute presenti sia le temperature di esercizio richieste sia quelle legate alle condizioni ambientali del sito di installazione.

Ad esempio, qualora si desideri una temperatura del fluido raffreddato sotto la temperatura ambiente, sarà preferibile un sistema evaporativo: in questo caso il limite teorico minimo del fluido raffreddato è, come abbiamo visto, la temperatura al bulbo umido dell’aria.

I sistemi di raffreddamento dry ad aria, invece, si basano sullo scambio sensibile, molto meno efficiente rispetto allo scambio latente di evaporazione. Il limite è posto in questo caso dalla temperatura del fluido raffreddante, cioè l’aria ambiente. Nel caso in cui sia sufficiente raffreddare il fluido ad una temperatura sopra quella ambiente, sarà opportuno utilizzare un raffreddatore ad aria.

Una terza opzione è quella di progettare un sistema adiabatico nel caso in cui si desideri una temperatura del fluido uguale o leggermente inferiore a quella ambiente.

Tutto questo è utile per chiarire che non esiste un sistema di raffreddamento “buono per tutte le stagioni”: compiere una scelta appropriata, in base alle esigenze di progetto e alle condizioni ambientali, significa ottimizzare l’uso di energia, ridurre gli spazi e mettere gli impianti nelle condizioni di operare la meglio.

Capitolo a parte rappresentano i gruppi frigoriferi: in questo caso parliamo tuttavia di dispositivi che usano componenti meccanici specifici per ottenere il raffreddamento (compressori, evaporatori), e non elementi “naturali” quali l’aria o l’acqua.

2. Torri di raffreddamento: dimensionamento e componenti

Abbiamo scoperto cosa sono le torri evaporative e qual è il (semplice) principio fisico che esse utilizzano per mantenere performance elevate.

Vediamo ora come vengono costruite e, soprattutto, in base a quale criterio vengono dimensionate.

2.1. Come dimensionare una torre: l’importanza della temperatura al bulbo umido

Il dimensionamento delle torri evaporative avviene tenendo presenti alcuni parametri fondamentali. Tra queste

• la potenza termica da dissipare,
• la temperatura dell’acqua in ingresso alla torre,
• la temperatura che si desidera ottenere in uscita
• e le condizioni termo-igrometriche (cioè di temperatura e umidità) caratteristiche della zona di installazione.

Quest’ultima informazione in particolare rappresenta un dato determinante ai fini di un corretto dimensionamento. Essa permette infatti di identificare proprio quel parametro della temperatura al bulbo umido che, come abbiamo visto, definisce le condizioni ambientali “peggiori” della zona di installazione ed il limite al quale l’acqua raffreddata dalla torre evaporativa tende a portarsi.

In queste condizioni-limite, dovranno essere garantite le temperature di progetto richieste per la dissipazione del carico termico fornito dall’impianto. È chiaro che, definita la temperatura al bulbo umido di riferimento (mediamente circa 10°C meno della temperatura ambiente), più piccolo sarà l’approach (ossia la differenza tra la temperatura di bulbo umido e quella dell’acqua raffreddata) richiesto per l’acqua in uscita e più grande sarà la torre evaporativa necessaria per realizzarlo.

Solitamente, un approach compreso tra i 2-3°C ed i 5-6°C soddisfa pienamente la maggior parte delle necessità impiantistiche moderne.

2.2. Componenti delle torri di raffreddamento e materiali utilizzati

Veniamo ora ai componenti principali che contraddistinguono le torri di raffreddamento, a circuito aperto o chiuso.

• Struttura principale di contenimento e supporto della torre evaporativa: può essere realizzata in lamiera o in vetroresina o entrambi i materiali. Nel caso di torri industriali molto grandi, o di tipo iperbolico, viene usato anche il cemento.
• Pacco di scambio termico (nelle torri a circuito aperto) o batteria di scambio termico, generalmente a tubi lisci (nelle torri a circuito chiuso): costituiscono il “cuore” della torre evaporativa. Si tratta infatti dei componenti attraverso i quali si realizza lo scambio di calore tra acqua ed aria.
• Ventilatore di tipo assiale o centrifugo: è l’unico organo meccanico in movimento ed è quello che “forza” l’evaporazione dell’acqua necessaria per realizzare il raffreddamento. La scelta della tipologia assiale o centrifuga, a seconda delle condizioni progettuali, è importante per ottenere il miglior funzionamento ed il minor utilizzo di risorse del sistema. Vedremo secondo quali criteri.
• Sistema di distribuzione dell’acqua, normalmente realizzato con una rampa di tubi ed ugelli. Permette di distribuire l’acqua da raffreddare sul pacco di scambio termico (nelle torri aperte) oppure sulla batteria di scambio (nelle torri chiuse).
• Separatore di gocce, situato immediatamente a monte del ventilatore. Ha la funzione di trattenere le gocce d’acqua, altrimenti trascinate all’esterno dal flusso d’aria provocato dal ventilatore.

Inoltre, la natura dell’acqua da raffreddare condiziona notevolmente sia la scelta dei materiali da costruzione da utilizzare, come si accennava sopra, sia la tipologia di pacco di scambio termico più indicato. In presenza di acque particolarmente aggressive o acide, si dovranno preferire materiali inossidabili oppure vetroresina: quest’ultimo intrinsecamente insensibile alla maggior parte degli agenti chimici.

Se invece l’acqua potrà essere inquinata dal processo, trascinando con sé torbidità o altri inquinanti di varia natura anche organica, si dovrà attentamente valutare il tipo di pacco di scambio termico più indicato tra quelli disponibili in questi casi: dagli antifouling, a canali verticali non incrociati, ai classici pacchi “splash” che si basano sul principio della frantumazione della goccia.

2.3. Spurghi e reintegri

Come abbiamo detto sopra, le torri evaporative ottengono il loro scopo di raffreddare l’acqua mediante l’evaporazione forzata di una certa quantità dell’acqua stessa. La quantità di acqua evaporata è direttamente proporzionale alla quantità di calore che si deve dissipare: in particolare, si perde circa 1 litro di acqua ogni 600 Kcal di carico termico smaltito.

Questo è un dato fisico incontrovertibile e rappresenta, se vogliamo, uno dei pochi aspetti “critici” e quindi da gestire, nel bilancio sicuramente positivo dei sistemi evaporativi rispetto ad altre tecnologie di raffreddamento.

L’acqua evaporata per ottenere il raffreddamento deve essere reintegrata nel circuito: è bene compiere l’operazione condizionandone la qualità in modo tale che non si verifichino incrostazioni e depositi nel circuito medesimo. Questo perché i sali contenuti nell’acqua che evapora restano disciolti nell’acqua rimanente che quindi aumenta via via di concentrazione. Diventa insomma indispensabile tenere sotto controllo che non vengano superati certi limiti: normalmente, un adeguato trattamento anticalcare e uno spurgo parziale di acqua contenuta nel circuito sono più che sufficienti allo scopo.

Se l’acqua evaporata è funzione del calore dissipato, e quindi non è modificabile in termini quantitativi, lo è invece sicuramente l’acqua che viene definita come “spurgo” e che ha la funzione di mantenere entro certi limiti la quantità di sali disciolti.

Lo spurgo può essere gestito in modo “empirico”, tendenzialmente pari all’evaporato (fattore di concentrazione “2”). Oppure può essere controllato mediante un monitoraggio costante della qualità dell’acqua contenuta nel circuito, in particolare del parametro di conducibilità elettrica.

Controllare la conducibilità mediante appositi trattamenti anticalcare, e quindi gestire in modo appropriato lo spurgo, permette di ridurre sensibilmente gli sprechi d’acqua. Non solo: permette anche di mantenere l’impianto in perfetta efficienza e dilatare nel tempo gli interventi di manutenzione e la sostituzione di componenti soggetti ad usura.

La soluzione ideale, quindi, può essere quella di preferire soluzioni “integrate” per il proprio impianto: ovvero pacchetti che includono, oltre la singola unità evaporativa, anche apparecchiature dedicate al controllo ed alla gestione delle acque. Meglio ancora se proposte direttamente dal Costruttore: in questo modo esse possono risultare idonee nella sostanza e specificatamente progettate per la macchina asservita.

3. Torri di raffreddamento: applicazioni industriali e civili principali

Come indicato all’inizio, le torri evaporative vengono largamente impiegate in impianti di:

• produzione energia,
• condizionamento civile,
• refrigerazione,
• e industriali.

Quest’ultimo ambito rappresenta certamente quello più frequentemente coinvolto nell’utilizzo delle torri evaporative: soprattutto nel caso di impianti di media e grande potenzialità.

3.1. Torri evaporative: la soluzione ottimale per potenze elevate

Va detto che tutti gli altri sistemi di raffreddamento, siano essi ad aria, adiabatici o gruppi frigoriferi, rappresentano una possibile alternativa quando le potenze termiche da dissipare sono relativamente modeste: per dare un riferimento, sotto 1 MW. Diventano tuttavia estremamente antieconomici quando si tratta di potenze molto elevate, anche di parecchi MW.

Nel campo industriale si utilizzano sia torri di raffreddamento a circuito aperto sia a circuito chiuso: in queste ultime, il fluido da raffreddare, che può essere sempre acqua o una miscela di acqua e glicole, circola all’interno di una serpentina in tubi lisci a sua volta bagnata esternamente e da dove l’acqua forzatamente evaporata sottrae calore al fluido interno.

3.2. Torri di raffreddamento abbinate a scambiatori di calore

Le torri evaporative a circuito chiuso costituiscono una valida alternativa nel caso in cui si desideri effettuare un raffreddamento “indiretto” dell’utenza: ossia si preferisce che il liquido del circuito di raffreddamento non venga inquinato dall’aria.

Si può realizzare lo stesso tipo di raffreddamento indiretto con una torre evaporativa a circuito aperto abbinata ad uno scambiatore di calore a piastre, oppure a fascio tubiero. Il vantaggio del primo dei due sistemi consiste nel fatto che in un’unica macchina si trova sia la sezione evaporativa, sia lo scambiatore di calore a tubi lisci sulla quale questa agisce: i vantaggi in termini di spazi occupati e di costi è indubbio.

3.3. Torri di raffreddamento abbinate ai condensatori ad acqua dei chiller

Le torri evaporative trovano anche applicazione nella refrigerazione civile ma, soprattutto, industriale e commerciale: in particolar modo, in abbinamento al condensatore di gruppi frigorifericon condensazione ad acqua, oggi più che mai nei gruppi ad assorbimento.

3.4. Esempi di settori applicativi

In conclusione, e a titolo di esempio, ecco una lista di settori applicativi industriali o civili in cui le torri di raffreddamento posso svolgere il loro scopo di smaltire il calore di processo.

• Centrali nucleari, termiche, geotermiche e a carbone.
• Impianti oil & gas: spesso vengono impiegate grandi torri di raffreddamento industriali
• Raffinerie.
• Produzione di materie plastiche e trattamenti termici dei metalli (quali acciaierie e fonderie).
• Cogenerazione e trigenerazione.
• Impianti di condizionamento in edifici civili e industriali (ambito HVAC).
• Supermercati in abbinamento ai chiller.
• Piccoli impianti produttivi quali gelaterie.

4. Tipologie di torri evaporative

Veniamo ora alle diverse tipologie e varianti costruttive di torri di raffreddamento: in fase di progetto, la scelta viene compiuta in base all’applicazione cui sono destinate, oppure alla dimensione dell’impianto.

Le variabili più frequenti che possono indirizzare la scelta sono a grandi linee le seguenti:

• potenza termica da dissipare,
• natura dell’acqua da raffreddare,
• tipo di processo,
• contesto nel quale avviene l’installazione (ambito civile o industriale),
• requisiti impiantistici particolari, ad esempio se si tratta di un impianto nuovo o di una sostituzione.

4.1. Torri di raffreddamento assemblate in fabbrica e field-erected

La dimensione dell’impianto in termini di potenza termica da dissipare indirizza la scelta verso torri evaporative di tipo “package”, quindi pre-assemblate in fabbrica, oppure “field erected” (da montare direttamente in cantiere).

Le prime possono essere realizzate sia in metallo sia in altri materiali meno “sensibili” alla presenza dell’acqua ed al relativo possibile effetto di corrosione: ad esempio la vetroresina. Le seconde sono generalmente realizzate con una struttura metallica o con profili pultrusi in vetroresina, se non addirittura in cemento: le classiche torri iperboliche delle centrali nucleari.

4.2. Soluzioni standard o silenziose

Un altro elemento che influisce sulla scelta della soluzione costruttiva più idonea è l’ambito di installazione: se è civile (ospedali, centri commerciali, impianti di condizionamento) si dovrà preferire una soluzione a basso impatto acustico. Si sceglierà quindi una macchina costruttivamente progettata per avere basse emissioni sonore o comunque facilmente silenziabile.

Se l’ambito è di tipo industriale, i limiti di rumore, benché presenti come richiesta di progetto, sono certamente meno vincolanti: può quindi essere proposta una soluzione meno specifica in merito.

4.3. Meglio i ventilatori centrifughi o assiali?

Per rispondere a questa domanda, facciamo un passo indietro nel tempo.

In anni passati, si tendeva ad indirizzare la scelta in ambito civile verso torri evaporative con ventilatori centrifughi. Si preferivano invece versioni con ventilatori assiali per i processi industriali.

Oggi esistono torri evaporative con ventilatori assiali altrettanto efficienti e silenziose: al punto che questa differenza non risulta più così netta, come spiega questo articolo su torri di raffreddamento con ventilatore centrifugo o assiale.

4.4. Ad ogni impianto, la sua soluzione: la raccolta delle informazioni

Infine, è necessario conoscere anche eventuali limiti dimensionali o legati ad altre situazioni precostituite che possono indirizzare una scelta piuttosto che un’altra.

Ad esempio, nel caso di una sostituzione, può esserci una vasca esistente od uno spazio definito dalla precedente installazione al quale è necessario adattarsi. Invece, è più raro trovare un limite di questo tipo, oppure può essere identificato da un’area entro la quale è destinato l’impianto di raffreddamento.

Tutti questi aspetti devono essere discussi in fase di raccolta dati tra il Committente ed il Fornitore, ed è compito di quest’ultimo assumere un approccio “consulenziale” al raffreddamento nei confronti del Cliente affinché la proposta possa essere la migliore sia dal punto di vista tecnico che economico. 

5. Manutenzione e trattamento acqua

Come tutti i dispositivi inseriti in un impianto tecnologico, anche le torri evaporative, di qualsiasi tipo esse siano, necessitano di un programma di manutenzione ordinaria e, in caso di guasto, straordinaria.

Per la loro estrema semplicità costruttiva, le torri di raffreddamento non richiedono in genere un’attenzione particolare, se non l’osservanza di alcune linee guida molto semplici quanto efficaci per mantenerle sempre al massimo dell’operatività.

Sicurezza ed efficienza vanno infatti di pari passo.

5.1. Il trattamento dell’acqua di torre

Gli aspetti più delicati sono sicuramente riconducibili alla natura dell’acqua in circolo: ossia, non solo un’attenzione verso la tipologia di acqua da raffreddare, ma come quest’acqua viene controllata e condizionata affinché questa non si deteriori dal punto di vista fisico-chimico.

Un’acqua ben trattata, che evita depositi ed incrostazioni nella torre evaporativa è in generale nell’impianto, ha anche una grande influenza positiva nel ridurre al minimo l’eventuale proliferazione e diffusione di sostanze organiche (alghe) o batteri, incluso quello più diffuso e potenzialmente pericoloso che può provocare legionellosi.

Una torre evaporativa pulita significa una torre evaporativa sempre efficiente, quindi in grado di offrire il massimo rendimento con il minimo utilizzo di risorse: sia in termini di energia elettrica sia di acqua evaporata e spurgata.

5.2. Le buone pratiche consigliate da un produttore di torri di raffreddamento

Anche i componenti che costituiscono la torre evaporativa beneficiano, ovviamente, di una corretta gestione: i pacchi di scambio termico hanno una vita più lunga, così come i motori ed i ventilatori lavorano in condizioni migliori in virtù di un’acqua meno aggressiva che ne può deteriorare le parti più sensibili.

In merito alle prassi da seguire per ottenere questa condizione, è generalmente sufficiente attenersi alle indicazioni specifiche fornite dal Costruttore in merito ai controlli ed alle manutenzioni periodiche, nonché ai parametri chimico-fisici da rispettare per l’acqua in circolo. Esistono comunque linee guida più generali, spesso citate anche nei manuali del Costruttore, che forniscono delle “buone pratiche” valide per tutti gli impianti dove sono utilizzate torri evaporative: enti prestigiosi in questo senso sono Cooling Technology Institute e Assoclima (Confindustria).

Si tratta di utili suggerimenti “super partes” per una conduzione ottimale dell’intero sistema.