Dry Cooler: guida completa al raffreddamento industriale ad aria

Un articolo alla scoperta di una semplice tecnologia di raffreddamento molto richiesta dai clienti dell’industria e della climatizzazione civile: i dry cooler, o sistemi di raffreddamento a secco. Parliamo di soluzioni a costo di acquisizione contenuto e con ridotte necessità di manutenzione, ma che richiedono specifiche temperature in output del fluido da raffreddare e talvolta ampi spazi installativi.

Vediamo allora in dettaglio cosa sono, come funzionano e come sono fatti i dry cooler.

1. Introduzione ai Dry Cooler

I dry cooler si basano su un principio semplice ma efficace: il raffreddamento per convezione. L’aria esterna viene convogliata e spinta da uno o più ventilatori, attraversa delle “batterie alettate” poste all’interno del dry cooler, assorbendo il calore dal fluido di processo che vi scorre all’interno. L’aria viene quindi espulsa nell’ambiente, completando il ciclo di raffreddamento.

Alcune note terminologiche, prima di proseguire. I dry cooler sono spesso detti anche air cooler, per la loro caratteristica di funzionare unicamente con l’aria come vettore, i termini sono quindi intercambiabili. Non è inoltre infrequente leggere la dizione sistema dry cooler.

2. Struttura e componenti dei dry cooler

I dry cooler sono costituiti da componenti relativamente semplici, ma efficaci nel lavorare insieme per dissipare il calore.

1. Circuito chiuso con batterie alettate: Il cuore del dry cooler è un circuito chiuso che contiene/fa transitare il fluido di processo che deve essere raffreddato. Questo fluido scorre all’interno di spire di tubi collegati tra loro (tramite curve saldate) e inseriti in una serie di “alette”, ossia sottili piastre che formano un “pacco alettato” (batterie alettate).
2. Le alette metalliche sulla superficie della batteria aumentano la superficie di scambio termico con l’aria, massimizzando il raffreddamento, ossia la cessione del calore del fluido verso l’ambiente esterno. Materiali, spessori e geometrie delle batterie alettate vengono definiti in base alle caratteristiche del fluido da raffreddare e a specifiche esigenze.
3. Ventilatori: Potenti ventilatori aspirano l’aria dall’ambiente e la spingono attraverso le batterie alettate. La velocità e la portata d’aria dei ventilatori sono fondamentali per garantire un efficace raffreddamento del fluido.
4. Motore: A far girare i ventilatori c’è uno o più motori elettrici. I dry cooler moderni utilizzano motori ad alta efficienza per ridurre i consumi energetici e contenere la rumorosità.
5. Telaio e struttura: Il telaio e la struttura del dry cooler devono essere resistenti alle intemperie e garantire la protezione dei componenti interni. Possono essere realizzati in acciaio zincato o verniciato per resistere alla corrosione.

3. Vantaggi dei dry cooler

L’adozione di dry cooler comporta una serie di benefici.

• Semplicità di costruzione, installazione e avviamento. È evidente dalla descrizione che si tratta di macchine che non richiedono particolari opere accessorie per essere montate (al netto del posizionamento a terra e dei necessari allacciamenti elettrici e idraulici).
• Manutenzione ridotta. La struttura robusta ma semplice dei dry cooler richiede interventi davvero minimi, garantendo costi di gestione contenuti nel lungo periodo.
• Solo aria. Il funzionamento di questa tecnologia non richiede altro che l’aria esterna, come abbiamo visto mossa da uno o più ventilatori. Naturalmente, questo potrebbe tradursi in un limite per quelle applicazioni che richiedono appunto temperature del fluido da raffreddare inferiori a quelle dell’aria esterna.
• Bassi costi operativi. Questo è naturalmente un effetto delle precedenti caratteristiche funzionali.
• Flessibilità di installazione. I dry cooler possono essere installati all’aperto o all’interno, adattandosi a diverse esigenze di layout degli impianti. La loro modularità li rende adatti anche a retrofitting di impianti esistenti.
• Versatilità di funzionamento. I sistemi con dry cooler possono funzionare durante tutto l’anno, senza problemi riferiti alle basse temperature circostanti.

4. Temperature in output e calcolo delle potenzialità di un dry cooler

Dato che il dry cooler utilizza unicamente l’aria come vettore di raffreddamento, questo sistema industriale può strutturalmente raggiungere temperature in output non inferiori alla temperatura di bulbo secco dell’aria (ossia la temperatura dell’aria esterna): è un elemento da tenere sempre in considerazione per sapere se sia questa la soluzione che ci occorre. La conseguenza di ciò è che il dry cooler diventa la soluzione ottima se è sufficiente ottenere un fluido in uscita di temperatura medio-alta, soprattutto se pensiamo alle stagioni più calde e se non si vuole utilizzare l’acqua come “strumento” di raffreddamento.

Quindi come dimensionare un dry cooler correttamente? Come calcolare correttamente le potenzialità richieste? Diversi fattori entrano in campo.

È fondamentale selezionare un dry cooler con la portata d’aria e la superficie di scambio termico adeguate alla quantità di calore che deve essere dissipata dal fluido. Fattori come la temperatura e il flusso volumetrico del fluido di processo, la temperatura ambiente e la differenza di temperatura desiderata in uscita giocano un ruolo fondamentale nel dimensionamento del dry cooler.

Abbiamo inoltre visto che i dry cooler riescono ad abbassare la temperatura del fluido di processo in prossimità della temperatura dell’aria ambiente.

Il dimensionamento di un dry cooler è un processo che richiede una valutazione accurata di diversi fattori per garantire che l’unità selezionata sia in grado di soddisfare le esigenze specifiche dell’applicazione.

Di seguito le fasi principali.

1. Calcolo del carico termico. È necessario determinare la quantità precisa di calore che il dry cooler dovrà dissipare. Questo dipende da fattori come il tipo di fluido da raffreddare, la sua temperatura di ingresso e uscita, e le condizioni ambientali.

2. Determinazione della portata d’aria. Una volta noto il carico termico, si calcola la quantità d’aria necessaria per asportare tale calore. Questo valore si ottiene tramite la differenza di temperatura che si vuole ottenere tra l’aria in ingresso e in uscita dal dry cooler.
3. Selezione del dry cooler. Sulla base del carico termico e della portata d’aria calcolati, si sceglie il modello di dry cooler più adatto. Si considerano fattori come la caduta di pressione dell’aria, la velocità dell’aria, il tasso di trasferimento di calore e materiali, spessori, geometrie delle batterie alettate.

Oltre a questi elementi, altri vanno presi in considerazione per dimensionare e calcolare correttamente la potenza richiesta di un dry cooler: ingombri a disposizione, rumorosità richieste per il corretto funzionamento (considerando il contesto civile o industriale dell’installazione), necessità relative alla futura manutenzione del sistema…

Le variabili, come si può vedere, sono molteplici. Come in ogni caso, un buon consulente del raffreddamento è comunque in grado di orientare il cliente ponendogli le giuste domande sulle sue necessità. Esistono inoltre software specifici che, considerando i parametri applicativi, aiutano il professionista a simulare le sue prestazioni in termini di temperatura di uscita del fluido e a definire il modello di dry cooler più adatto.

5. Tipologie di dry cooler

Esistono alcune tipologie di dry cooler: a disposizione orizzontale, dalla tipica forma “a tavola e a disposizione verticale, o a V. Inoltre, i raffreddatori ad aria possono incrementare la loro efficienza montando dispositivi di pre-raffreddamento adiabatico.

Vediamo queste tre tipologie più in dettaglio.

6. Sostenibilità, efficienza energetica e riduzione del rumore coi dry cooler

Facciamo una premessa necessaria: ogni tipologia di raffreddatore industriale, inclusi quelli ad aria, può portare efficienza (minor utilizzo di risorse e minor impatto ambientale) se selezionato e configurato correttamente dal produttore e fornitore. Come si può ottenere questo? Conoscendo precisamente i dati di progetto dell’impianto da servire e le sue esigenze uniche di performance richieste e risorse a disposizione. Oggi questo compito è agevolato da software di selezione, configurazione ed ottimizzazione avanzati.

Ciò premesso, si possono porre all’attenzione una serie di punti per avere dry cooler efficienti.

• Componenti ad alta efficienza energetica: motori e ventilatori ad alta efficienza, spesso a controllo elettronico, in grado di ridurre al minimo l’utilizzo di risorse.
• Selezione dei materiali: una consapevolezza da parte del produttore della riciclabilità dei materiali impiegati, o della loro gestione a fine vita, aiuta a ridurre l’impatto ambientale del nostro raffreddatore ad aria.
• Efficienza operativa: una corretta manutenzione e pulizia dei raffreddatori a secco garantisce un flusso d’aria e un trasferimento di calore ottimali, riducendo il consumo energetico. Naturalmente, questo passaggio è a carico tanto di un buon produttore e consulente, in grado di consigliare al meglio il cliente, sia del cliente stesso e della buona organizzazione delle sue operatività interne.

7. Dry cooler vs altri sistemi di raffreddamento

I dry cooler non sono certo gli unici sistemi per la dissipazione di calore nei processi industriali.

La domanda su quale sia il miglior sistema di raffreddamento da impiegare per raffreddare fluidi (acqua e glicole o altri fluidi) da utilizzare per i processi produttivi è un grande classico. I produttori e consulenti rispondono in genere con un’altra risposta classica: dipende. Perché il miglior sistema di raffreddamento non esiste e invece bisogna conoscere e confrontare i diversi vantaggi strutturali di chiller, torri evaporative, dry cooler adiabatici e dry cooler “standard”.

Anche in questo caso, operiamo quindi un confronto su come funzionano i dry cooler rispetto agli altri sistemi per lo smaltimento di calore.

7.1. Dry cooler vs chiller

Ecco un classico esempio di contrapposizione tra diversi sistemi di raffreddamento: meglio un dry cooler o un chiller industriale?

È chiaro che dobbiamo partire dalle temperature in output consentite dai due sistemi. In questo senso, un chiller (“raffreddatore meccanico”) può raggiungere temperature del fluido in uscita ben inferiori alla temperatura ambiente, anche al di sotto degli 0 °C. Un dry cooler è invece più indicato, come abbiamo già visto, per temperature in uscita medio-alte (nelle stagioni più calde) o comunque prossime a quelle dell’aria esterna. È infatti un sistema che non può strutturalmente scendere al di sotto della temperatura di bulbo secco dell’ambiente.

Ma cosa fare se la richiesta è di temperature in uscita intermedie, per esempio tra i 20 e i 30 °C? In questo caso, bisogna porre un’attenzione maggiore agli altri fattori progettuali e alle altre necessità dell’impianto da servire.

Un ulteriore rilievo da compiere è quello sulla struttura e sui componenti dei due sistemi. Un raffreddatore ad aria è un macchinario semplice, costituito essenzialmente da batteria di scambio termico e gruppo moto-ventilante. D’altra parte, un chiller o gruppo frigorifero è un sistema molto più complesso, che per raggiungere le sue elevate performance deve fare leva su un intero circuito refrigerante: una soluzione di questo tipo genera costi di acquisizione e di esercizio ben più elevati e necessita di più manutenzione.

Per ottimizzare l’utilizzo di energia e garantire flessibilità, è comunque possibile combinare dry cooler e chiller: una soluzione che ha visto un certo incremento negli ultimi anni. Si può ad esempio utilizzare il dry cooler durante i periodi dell’anno più freddi e il chiller nei periodi più caldi, oppure utilizzare il dry cooler come pre-raffreddamento per ridurre il carico sul chiller. Senza considerare che esistono i cosiddetti chiller con free-cooling, che nei periodi freddi funzionano come dry cooler, consentendo di spegnere i compressori e risparmiare energia.

Per comodità, ecco un utile e necessariamente semplificato prontuario sui fattori più importanti da considerare per valutare una scelta consapevole: dry cooler vs chiller.

• Temperatura di esercizio. Se è richiesto un fluido molto fredda (es. 10 °C o inferiore), il chiller è l’unica opzione tra le due. Per temperature più elevate (20-30 °C), entrambe le soluzioni possono essere valutate.
• Spazi installativi. In caso di limitati spazi a disposizione, il chiller potrebbe essere la scelta ottimale.
• Condizioni ambientali. In climi caldi e umidi, l’efficienza di un dry cooler può diminuire. Un gruppo frigorifero, invece, è meno influenzato dalle condizioni esterne.
• I dry cooler hanno generalmente costi di investimento e gestione inferiori rispetto alla soluzione concorrente.
• Efficienza energetica. L’efficienza energetica dipende da diversi fattori, tra cui la temperatura ambiente, la temperatura del fluido in uscita e la tecnologia utilizzata.
• I dry cooler richiedono una manutenzione minore rispetto a delle unità di refrigerazione, che hanno componenti più complessi.

7.2. Dry cooler vs torre di raffreddamento

In termini di risultato operativo, la principale differenza tra un dry cooler e una torre di raffreddamento evaporativo risiede nel fatto che il primo ha nella temperatura al bulbo secco dell’aria (la temperatura dell’aria esterna) il limite minimo per la temperatura in output del fluido raffreddato. Invece, la torre evaporativa può arrivare in prossimità della temperatura di bulbo umido (indicativamente 10 °C al di sotto della temperatura esterna).

Esiste una precisa formula per il calcolo della temperatura di bulbo umido (Tw) dato il bulbo secco (Ta), nonché diversi calcolatori online. Basti dire che il valore di Tw è sempre inferiore a quello Ta a meno di umidità relativa al 100%: questo sottolinea la maggior efficienza della torre di raffreddamento rispetto al dry cooler. Un elemento da considerare per la scelta del raffreddatore migliore.

D’altra parte, in termini utilizzo di risorse, la torre di raffreddamento necessita di acqua per il suo funzionamento laddove il dry cooler, per definizione, non utilizza questa risorsa per il suo funzionamento.

Per l’impianto da servire sono più importanti le performance (e il salto termico da realizzare), gli spazi a disposizione per l’installazione o il risparmio d’acqua? La risposta a questa domanda comincia decisamente a far propendere la scelta: dry cooler se il focus è sul risparmio d’acqua, torre di raffreddamento se la necessità maggiore risiede nelle prestazioni e in spazi installativi a disposizione più contenuti.

7.3. Dry cooler “standard” vs dry cooler adiabatico

Ricordiamo le differenze strutturali dei due sistemi. Un dry cooler standard funziona attraverso un semplice principio: il fluido da raffreddare (solitamente acqua o acqua e glicole) viene pompato attraverso una serie di tubi all’interno di un’unità. L’aria esterna viene forzata attraverso le alette adiacenti ai tubi, assorbendo il calore dal fluido e raffreddandolo. Questo processo avviene senza l’utilizzo di acqua di evaporazione. Un dry cooler con dispositivo adiabatico è un sistema più avanzato che combina la tecnologia del dry cooler standard con un processo di raffreddamento adiabatico (utilizzabile in determinati periodi dell’anno o del giorno): in questo caso, l’aria esterna viene pre-raffreddata con cicli di bagnatura con acqua prima di entrare in contatto con la batteria alettata.

L’output del fluido in un dry cooler adiabatico può scendere al di sotto della temperatura di bulbo secco dell’aria (anche se non di quella di bulbo umido). Un dry cooler standard non può invece strutturalmente ottenere questo risultato. Questa differenza rappresenta già di per sé una discriminante qualora l’impianto da servire necessiti di smaltire calore a livelli poco superiori oppure poco inferiori rispetto a questa soglia, oppure occorra una certa “garanzia” di performance anche nelle giornate o ore più calde dell’anno.

Il dry cooler adiabatico può inoltre operare in modalità standard, quindi solo ad aria e senza dispositivo di pre-raffreddamento ad acqua, qualora questo sia sufficiente in determinate stagionalità: questo rappresenta naturalmente un punto a favore di queste apparecchiature.

8. Applicazioni dei dry cooler

Vale lo stesso discorso di altri sistemi di raffreddamento industriale: i dry cooler possono essere inseriti nei più diversi tipi di impianti civili e industriali, a patto di conoscere le richieste di temperatura e potenzialità richieste nel singolo progetto.

A titolo di esempi, ecco alcuni contesti di installazione.

• Processi industriali: raffreddamento di liquidi in impianti di produzione di energia, lavorazione chimica, produzione di plastica, lavorazione dei metalli, settore alimentare e delle bevande.
• Sistemi HVAC: smaltimento di calore negli edifici commerciali e industriali per mantenere l’aria condizionata.
• Datacenter: lo scopo è naturalmente quello di mantenere le temperature operative ottimali per i server.

9. Focus: dry cooler per data center

Focalizziamoci un attimo sull’ultimo punto della lista precedente: i data center sono uno degli ambienti in cui sono richieste tecnologie di raffreddamento e, possibilmente, che utilizzino un quantitativo limitato di risorse.

Parliamo in questo caso del raffreddamento di sale server con dry cooler per i data center, un’applicazione in grande espansione anche in considerazione degli investimenti nell’intelligenza artificiale. Si tratta inoltre di ambienti in cui la continuità operativa e quindi l’affidabilità delle macchine sono fondamentali.

I dry cooler possono servire questo tipo di impianti: la scelta di questi sistemi tra altre tecnologie di raffreddamento risiede sempre nelle specifiche del singolo progetto. Naturalmente, come abbiamo già visto il dry cooler è la soluzione ottimale in climi freddi o dove la temperatura del fluido da raffreddare può essere prossima o superiore alla temperatura dell’aria esterna.

Esistono eccellenti casi studio di utilizzo di sistemi dry cooler in tutte e tre le versioni: a tavola, con configurazione a V e con dispositivo adiabatico.

Il dry cooler potrebbe non essere la tecnologia più indicata se, al contrario, siamo in presenza di un clima molto caldo e/o dove vi è la possibilità di utilizzare l’acqua come risorsa di raffreddamento.

10. Produttori di dry cooler: come valutarli

Arriviamo alla domanda che ogni cliente del settore civile o industriale si pone, anche in riferimento ad altre tecnologie: come selezionare il giusto produttore di dry cooler?

I criteri possono essere i più diversificati e soggettivi. Vale tuttavia la pena di considerarne alcuni.

• Ampiezza di gamma. Dato che, come abbiamo visto, non sempre una tecnologia è la migliore in senso assoluto (e lo stesso vale per i sistemi di raffreddamento ad aria), poter contare su un ventaglio diversificato di soluzioni aumenta la possibilità di scegliere quella ad hoc per il nostro impianto.
• Differenziazione dei prodotti (all’interno della stessa categoria). Abbiamo visto che esistono tipologie differenti di dry cooler, ognuna con propri vantaggi funzionali.
• Consulenza e servizio. In alcune situazioni, la parte “intangibile” della vendita è persino più importante di quella “tangibile”: i produttori che abbiamo selezionato nella nostra short list ci stanno seguendo come consulenti? Svolgeranno una progettazione customizzata per noi? Ci seguiranno nelle fasi di installazione e saranno a disposizione, in futuro, nelle fisiologiche fasi di manutenzione?
• Storia e referenze dell’azienda. Sono naturalmente un’indicazione dell’esperienza e professionalità del fornitore: anche in questo caso, è bene valutare con attenzione.