La guida definitiva ai sistemi di refrigerazione industriale: tutto ciò che devi sapere

Cosa sono i sistemi di refrigerazione industriale?

Gli edifici commerciali utilizzano sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC) per deumidificare e raffreddare l'edificio. I moderni edifici commerciali ricercano sistemi e componenti HVAC efficienti come parte di iniziative più ampie incentrate sulle prestazioni e sulla sostenibilità degli edifici. Allo stesso modo, gli occupanti dell’edificio nutrono grandi aspettative sul fatto che il sistema HVAC funzionerà come previsto. . . per creare un ambiente interno confortevole indipendentemente dalle condizioni esterne all'edificio.

I refrigeratori sono diventati un componente HVAC essenziale di un'ampia varietà di strutture commerciali, tra cui hotel, ristoranti, ospedali, arene sportive, impianti industriali e manifatturieri, ecc. L'industria ha da tempo riconosciuto che i sistemi di refrigerazione rappresentano il maggior consumatore di energia elettrica nella maggior parte dei casi. strutture. Possono facilmente consumare più del 50% del consumo elettrico totale durante i periodi stagionali. Secondo il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), i refrigeratori possono essere combinati per utilizzare circa il 20% dell’energia elettrica totale generata nel Nord America. Inoltre, il DOE stima che i refrigeratori possano spendere fino al 30% in ulteriore utilizzo di energia a causa di varie inefficienze operative. Queste inefficienze riconosciute costano alle aziende e alle strutture edilizie miliardi di dollari ogni anno.

In generale, un refrigeratore facilita il trasferimento di calore da un ambiente interno a un ambiente esterno. Questo dispositivo di trasferimento del calore si basa sullo stato fisico di un refrigerante mentre circola attraverso il sistema di refrigerazione. Certamente, i refrigeratori possono funzionare come il cuore di qualsiasi sistema HVAC centrale.

Come funziona un refrigeratore?

Un refrigeratore funziona secondo il principio della compressione del vapore o dell'assorbimento del vapore. I refrigeratori forniscono un flusso continuo di refrigerante al lato freddo di un sistema di acqua di processo ad una temperatura desiderata di circa 50°F (10°C). Il refrigerante viene quindi pompato attraverso il processo, estraendo calore da un'area dell'impianto (ad esempio macchinari, apparecchiature di processo, ecc.) mentre rifluisce verso il lato di ritorno del sistema idrico di processo.

Un refrigeratore utilizza un sistema di refrigerazione meccanica a compressione di vapore che si collega al sistema dell'acqua di processo attraverso un dispositivo chiamato evaporatore. Il refrigerante circola attraverso l'evaporatore, il compressore, il condensatore e il dispositivo di espansione di un refrigeratore. Un processo termodinamico avviene in ciascuno dei componenti sopra indicati di un refrigeratore. L'evaporatore funziona come uno scambiatore di calore in modo che il calore catturato dal flusso del refrigerante di processo venga trasferito al refrigerante. Man mano che avviene il trasferimento di calore, il refrigerante evapora, trasformandosi da liquido a bassa pressione in vapore, mentre la temperatura del refrigerante di processo si riduce.

Il refrigerante scorre quindi verso un compressore, che svolge molteplici funzioni. Innanzitutto, rimuove il refrigerante dall'evaporatore e garantisce che la pressione nell'evaporatore rimanga sufficientemente bassa da assorbire il calore alla velocità corretta. In secondo luogo, aumenta la pressione nel vapore del refrigerante in uscita per garantire che la sua temperatura rimanga sufficientemente alta da rilasciare calore quando raggiunge il condensatore. Il refrigerante ritorna allo stato liquido al condensatore. Il calore latente ceduto quando il refrigerante passa da vapore a liquido viene portato via dall'ambiente da un mezzo di raffreddamento (aria o acqua).

Tipi di refrigeratori:

Come descritto, due diversi mezzi di raffreddamento (aria o acqua) possono facilitare il trasferimento del calore latente ceduto quando il refrigerante passa da vapore a liquido. Pertanto, i refrigeratori possono utilizzare due diversi tipi di condensatori, raffreddati ad aria e raffreddati ad acqua.

• I condensatori raffreddati ad aria assomigliano ai “radiatori” che raffreddano i motori delle automobili. Utilizzano un ventilatore motorizzato per forzare l'aria attraverso una griglia di linee refrigeranti. A meno che non siano progettati appositamente per condizioni ambientali elevate, i condensatori raffreddati ad aria richiedono temperature ambiente di 35 °C (95 °F) o inferiori per funzionare in modo efficace.
• I condensatori raffreddati ad acqua svolgono la stessa funzione dei condensatori raffreddati ad aria, ma richiedono due passaggi per completare il trasferimento di calore. Innanzitutto, il calore si sposta dal vapore refrigerante all’acqua del condensatore. Quindi, l'acqua calda del condensatore viene pompata in una torre di raffreddamento dove il calore del processo viene infine scaricato nell'atmosfera.

Chiller raffreddati ad acqua:

I refrigeratori raffreddati ad acqua sono dotati di un condensatore raffreddato ad acqua collegato ad una torre di raffreddamento. Sono stati comunemente utilizzati per installazioni di medie e grandi dimensioni che dispongono di una fornitura idrica sufficiente. I refrigeratori raffreddati ad acqua possono produrre prestazioni più costanti per il condizionamento dell'aria commerciale e industriale grazie alla relativa indipendenza dalle fluttuazioni della temperatura ambiente. I refrigeratori raffreddati ad acqua variano in dimensioni, da piccoli modelli con capacità di 20 tonnellate a diversi modelli da migliaia di tonnellate che raffreddano le strutture più grandi del mondo come aeroporti, centri commerciali e altre strutture.

Un tipico refrigeratore raffreddato ad acqua utilizza il ricircolo dell'acqua del condensatore proveniente da una torre di raffreddamento per condensare il refrigerante. Un refrigeratore raffreddato ad acqua contiene un refrigerante che dipende dalla temperatura dell'acqua in entrata nel condensatore (e dalla portata), che funziona in relazione alla temperatura del bulbo umido ambientale. Poiché la temperatura del bulbo umido è sempre inferiore alla temperatura del bulbo secco, la temperatura (e la pressione) di condensazione del refrigerante in un refrigeratore raffreddato ad acqua può spesso funzionare significativamente a livelli inferiori rispetto a un refrigeratore raffreddato ad aria. Pertanto, i refrigeratori raffreddati ad acqua possono funzionare in modo più efficiente.

I refrigeratori raffreddati ad acqua risiedono generalmente all'interno di un ambiente protetto dagli elementi. Pertanto, il refrigeratore raffreddato ad acqua può offrire una durata di vita più lunga. I refrigeratori raffreddati ad acqua rappresentano in genere l'unica opzione per le installazioni più grandi. Il sistema aggiuntivo della torre di raffreddamento richiederà costi di installazione e manutenzione aggiuntivi rispetto ai refrigeratori raffreddati ad aria.

Chiller raffreddati ad aria:

I refrigeratori raffreddati ad aria si basano su un condensatore raffreddato dall'aria ambiente. Pertanto, i refrigeratori raffreddati ad aria possono trovare applicazione comune in installazioni di piccole o medie dimensioni dove possono esistere vincoli di spazio. Un refrigeratore condensato ad aria può rappresentare la scelta più pratica negli scenari in cui l'acqua rappresenta una risorsa scarsa.

Un tipico refrigeratore raffreddato ad aria può essere dotato di ventilatori a elica o cicli di refrigerazione meccanici per aspirare l'aria ambiente su una batteria alettata per condensare il refrigerante. La condensazione del vapore refrigerante nel condensatore raffreddato ad aria consente il trasferimento del calore all'atmosfera.

I refrigeratori raffreddati ad aria offrono il vantaggio significativo di minori costi di installazione. Anche la manutenzione risulta più semplice grazie alla loro relativa semplicità rispetto ai refrigeratori raffreddati ad acqua. I refrigeratori raffreddati ad aria occuperanno meno spazio, ma risiederanno principalmente all'esterno di una struttura. Pertanto, gli elementi esterni ne comprometteranno la durata funzionale.

La natura all-inclusive dei refrigeratori raffreddati ad aria riduce i costi di manutenzione. La loro relativa semplicità abbinata ad ingombri ridotti produce grandi vantaggi in molti tipi di installazioni.

Azioni per aumentare l'efficienza dei sistemi di refrigerazione:
I costi dei refrigeratori consumano una parte sostanziale delle bollette del tuo edificio. Quali misure si dovrebbero adottare per ottenere risparmi energetici attraverso la massima efficienza del sistema di refrigerazione? Esaminiamo alcune possibilità.

Manutenzione continua

I sistemi di refrigerazione funzioneranno in modo più efficiente attraverso una corretta manutenzione continua. La maggior parte delle organizzazioni riconosce questo valore e ha adottato misure nell'ambito delle migliori pratiche di gestione quotidiana delle strutture. Alcune best practice comuni per i sistemi di refrigerazione includono:

Ispezionare e pulire le bobine del condensatore. Il trasferimento di calore ha un grande effetto sui sistemi di refrigerazione e rimane fondamentale per produrre operazioni efficienti di refrigerazione. La manutenzione ordinaria dovrebbe verificare l'eventuale presenza di intasamenti e libero passaggio dell'aria nelle bobine del condensatore.

Mantenere la carica di refrigerante. Il quoziente di raffreddamento di un refrigeratore dipende dai livelli adeguati di refrigerante nel sistema. Il mantenimento di una carica di refrigerante adeguata può avere un impatto notevole sull’efficienza energetica riducendo i costi di raffreddamento di quasi il 5-10%.

Mantenere l'acqua del condensatore: i circuiti dell'acqua del condensatore utilizzati con le torri di raffreddamento devono mantenere un flusso d'acqua adeguato come previsto. Eventuali detriti come sabbia, solidi erosivi e materiali contaminanti possono influenzare il circuito dell'acqua del condensatore. Incrostazioni o incrostazioni possono inibire il flusso dell'acqua e influire notevolmente sull'efficienza operativa del refrigeratore.

Manutenzione predittiva

L’intelligenza artificiale (AI) continua a progredire nelle applicazioni pratiche quotidiane. Macchinari come i sistemi di refrigerazione trarranno vantaggio dagli algoritmi di intelligenza artificiale in grado di rilevare potenziali guasti prima che si verifichino. La manutenzione predittiva sfrutta la raccolta e l'analisi dei dati operativi del sistema di refrigerazione per determinare quando intraprendere azioni di manutenzione prima di un guasto catastrofico. Poiché i sistemi di refrigerazione rappresentano il cuore della maggior parte dei moderni sistemi HVAC, la prevenzione di guasti catastrofici che producono significativi "tempi di inattività" farà risparmiare sui costi di riparazione di emergenza e sulla reputazione. Il ruolo fondamentale svolto da un sistema di refrigerazione merita un maggiore controllo. I Big Data e l’intelligenza artificiale ridurranno al minimo i tempi di inattività e massimizzeranno la produttività.

L’Internet delle cose (IoT) fornisce lo strumento di raccolta dati in grado di abilitare applicazioni di intelligenza artificiale come la manutenzione predittiva. In effetti, il futuro dell’HVAC è l’intelligenza artificiale e l’IoT. L'IoT consente la raccolta di dati in tempo reale da un refrigeratore per consentire un'analisi continua del suo funzionamento. I dati IoT granulari raccolti da un refrigeratore andranno ben oltre quelli ottenuti mediante ispezione visiva. L'IoT collega gli ingegneri edili alla visibilità in tempo reale delle risorse HVAC critiche, consentendo così il monitoraggio informato delle effettive condizioni operative.

Ottimizzazione

I refrigeratori funzionano come parte di un sistema HVAC complesso. I refrigeratori raffreddati ad acqua presentano una maggiore complessità a causa del collegamento a un sistema a torre di raffreddamento. La valutazione delle prestazioni complessive dell’impianto di refrigerazione comporterà quindi un’analisi del consumo energetico totale del compressore, delle pompe, dei ventilatori delle torri di raffreddamento, ecc. per valutare misure di efficienza complete come kW/ton.

L'ottimizzazione dell'intero impianto di refrigerazione deve essere eseguita in modo olistico. Varie regolazioni incentrate sui setpoint ottimali dell'acqua refrigerata, sulla sequenza dei refrigeratori e sul bilanciamento del carico, sulla gestione dei picchi di domanda, sulla gestione dell'acqua delle torri di raffreddamento, ecc. possono essere eseguite solo con i dati operativi. L'IoT può fornire gli strumenti per tale ottimizzazione fornendo il monitoraggio in tempo reale del consumo energetico da ciascuna parte dell'impianto di refrigerazione, delle temperature di mandata/ritorno dal refrigeratore e dalla torre di raffreddamento, delle portate dell'acqua dal circuito dell'acqua del condensatore, ecc. L'IoT ha scoperto applicazione pratica nel settore HVAC per facilitare la vera ottimizzazione.

Conclusione:

L'efficienza operativa del refrigeratore avrà un notevole impatto sui costi operativi dell'edificio. La manutenzione ordinaria continua rappresenta il minimo dal punto di vista del facility management. La manutenzione predittiva e l'ottimizzazione del sistema di refrigerazione richiedono dati operativi in ​​tempo reale. L’IoT ha aperto le porte a nuove forme di efficienza dei refrigeratori.