Come completamento del mio corso di studi in Ingegneria Energetica ho avuto

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1 4 PREMESSA Come completamento del mio corso di studi in Ingegneria Energetica ho avuto l'opportunità di svolgere il tirocinio aziendale presso la società Ingg. Grossi & Speier S.p.A., azienda che opera nel campo degli impianti di condizionamento dell'aria, ventilazione, impianti idraulici, elettrici, centrali di energia, sia ad uso industriale che civile. L'azienda ha ricevuto un'importante commessa da parte della STMicroelectronics, nota azienda del campo dei semiconduttori, per il nuovo stabilimento produttivo di Crolles, in Francia, dove saranno prodotti microchip con nuovi processi tecnologici. Il lavoro di Grossi & Speier consiste nella realizzazione di cinque torri evaporative con batteria anti pennacchio e il relativo impianto idraulico, oltre alla messa a punto del sistema e alla definizione della logica di regolazione. Il mio compito è stato quello di creare un modello matematico su foglio elettronico che permettesse di calcolare in breve tempo i parametri di funzionamento di tutto il sistema composto da torri evaporative, batteria anti pennacchio e scambiatore di calore con lo stabilimento. Questo ha consentito di prevedere le prestazioni del sistema in qualsiasi condizione di funzionamento, verificare l'abbattimento del pennacchio, definire la logica di regolazione.

2 5 CALCOLO DELLE PRESTAZIONI DI TORRI EVAPORATIVE CON DISPOSITIVO ANTI-PENNACCHIO 1. INTRODUZIONE La fabbrica della STMicroelectronics di Crolles richiede per i propri processi produttivi di smaltire una quantità consistente di calore proveniente dal raffreddamento dei macchinari per la produzione dei microchip e dagli impianti di condizionamento dell aria delle camere bianche e degli altri locali. Lo smaltimento del calore è necessario in molti impianti sia di tipo industriale, sia civile. 1.1 Lo smaltimento del calore Le soluzioni possibili per lo smaltimento del calore sono principalmente tre: - Raffreddamento ad acqua in circuito aperto. Si utilizzano degli scambiatori di calore in cui da un lato circola il fluido da refrigerare, dall'altro acqua fredda proveniente da fiumi, laghi, dal mare, o da un acquedotto, che viene scaricata più calda. Sono necessarie grandi quantità d'acqua. - Raffreddamento ad aria. Il calore è ceduto attraverso riscaldamento sensibile dell'aria ambiente. Sono necessarie grandi superfici di scambio e grandi

3 INTRODUZIONE 6 portate volumetriche, a causa del basso coefficiente di scambio e della bassa densità dell aria. Il consumo energetico è elevato per la notevole potenza dei ventilatori necessari alla movimentazione dell'aria. - Torri evaporative. Sono un sistema di raffreddamento che sfrutta un trasferimento di calore e di massa per raffreddare l acqua. E generalmente più efficiente ed economico del raffreddamento ad aria, a fronte di un consumo d acqua di circa il 2-5% di un raffreddamento ad acqua; le superfici di scambio e la portata d aria necessarie sono minori e quindi, in linea di principio, si hanno minori costi sia d investimento che d esercizio rispetto al raffreddamento ad aria. È importante anche la capacità di raffreddare l acqua fino alla temperatura del bulbo umido dell aria e non del bulbo secco, e di avvicinarsi a tale temperatura, in condizioni normali di esercizio, di 3-5 C. Ad esempio nei mesi estivi, con 32 C di temperatura ambientale, se col raffreddamento ad aria si raggiungono i 37 C, con una torre evaporativa si arriva ai 28 C, con benefici per il raffreddamento.

4 7 2. LE TORRI EVAPORATIVE Una torre evaporativa raffredda l'acqua sfruttando un trasferimento combinato di calore e di massa. L'acqua viene distribuita nella torre con dei sistemi ad ugelli o spruzzatori che provvedono a diffonderla in piccole particelle in modo da avere, con l'aria, una grande superficie di scambio in rapporto al volume ed aumentare così la possibilità di scambiare calore. L'aria ambiente può essere messa in movimento da ventilatori, per convezione o per effetto di induzione di spruzzatori ad alta pressione. Quando arriva nel pacco evaporante, una parte dell'acqua assorbe calore per passare dallo stato liquido allo stato di vapore, e questo calore di vaporizzazione a pressione costante viene A TEMPERATURA ACQUA D ARIA B C Figura 2.1 Andamento delle temperature di acqua ed aria in una torre una torre evaporativa in controcorrente. I punti A e C sono, rispettivamente, l ingresso dell acqua e dell aria, i punti B e D i punti di uscita.

5 LE TORRI EVAPORATIVE 8 trasferito dall'acqua che rimane allo stato liquido, all'aria. Il disegno della Figura 2.1 mostra l'andamento delle temperature di acqua ed aria (bulbo umido) mentre passano in una torre evaporativa in controcorrente, in cui cioè l'aria scorre dal basso verso l'alto e l'acqua cade per gravità dall'alto. L'acqua subisce una diminuzione di temperatura da A a B, e l'aria aumenta la sua temperatura da C a D. Il salto di temperatura dell'acqua è chiamato "range" e dipende dal carico termico applicato e dalla portata d acqua. La differenza tra le temperature di ingresso dell'aria e di uscita dell'acqua (B e C) è chiamato "approach". L'approach è un parametro molto importante che dipende dalla capacità della torre; una torre più grande ha un'approach più piccolo a parità di carico termico, portata e condizioni dell'aria. La quantità di calore trasferito dalla torre è sempre pari al carico termico imposto alla torre, ma il livello di temperatura alla quale il calore sarà trasferito dipenderà dalla potenza termica della torre e dalla temperatura dell'aria. Quindi per un determinato carico termico se si utilizza una torre evaporativa più grande, si avrà un "approach" più piccolo quindi, essendo il "range" imposto dal carico termico, le temperature di ingresso ed uscita dell'acqua si abbasseranno. Si tratta di trovare il compromesso tra le dimensioni della torre e l'approach, visto che avere temperature più basse ha benefici sui costi d'esercizio e una torre più grande ha maggior costo d'investimento.

6 LE TORRI EVAPORATIVE Analisi psicrometrica Le prestazioni di una torre evaporativa dipendono fondamentalmente dalla temperatura del bulbo umido dell'aria. TEMPERATURA BULBO UMIDO CALORE TOTALE B UMIDITÀ ASSOLUTA A C D TEMPERATURA BULBO SECCO Figura 2.2: Analisi psicrometrica della trasformazione che subisce l'aria in una torre evaporativa: i punti A e D rappresentano due diverse condizioni di ingresso dell aria; il punto B le condizioni di uscita dell aria dalla torre. Rispetto alla trasformazione A-B Il segmento A-C è il calore sensibile ed il segmento B-C il calore latente.