Raffreddamento con acqua ghiacciata al di sotto dei 2 °C

Gli scambiatori di calore a piastre, o PHE, sono diventati la soluzione standard per il raffreddamento dei processi industriali. Il motivo è in gran parte economico: raffreddano l’acqua di processo con costi di investimento relativamente bassi, occupando uno spazio ridotto e avvalendosi di un mercato di fornitori ben consolidato. Ma quando un processo richiede una temperatura di uscita dell’acqua di 1 °C o 0,5 °C, si esce da quella zona di comfort. A quel punto, il PHE diventa una tecnologia a rischio che richiede un controllo intensivo, costosa in caso di guasto. È proprio qui che entra in gioco HTT AG, con sistemi progettati da zero per questo intervallo di temperatura, anziché adattati con misure di sicurezza.

Lo scambiatore di calore a piastre non è un sistema inadeguato. È un sistema ottimizzato per un intervallo di temperatura specifico e raggiunge i propri limiti di progettazione al di fuori di tale intervallo. La sua popolarità è dovuta principalmente al prezzo: a temperature di uscita dell’acqua comprese tra 2 e 3 °C, offre coefficienti di trasferimento termico accettabili a un costo di acquisto che i sistemi specializzati in questo segmento non riescono inizialmente a eguagliare. Beneficia inoltre di una rete di assistenza ben sviluppata e della disponibilità di ricambi standardizzati.

Per i processi che possono funzionare con una temperatura di uscita compresa tra 2 e 3 °C, lo scambiatore di calore a piastre rappresenta quindi una scelta economicamente valida. La domanda è se la soluzione che sulla carta sembra più economica sia effettivamente la più conveniente nell’arco dell’intero ciclo di vita del sistema, e se ciò valga anche quando le temperature di processo richieste scendono al di sotto della soglia dei 2 °C.

Questa affermazione sembra ovvia. Le sue conseguenze per il funzionamento dell’impianto, invece, non lo sono. Quando la temperatura di uscita dell’acqua richiesta scende a 1 °C o 0,5 °C, il refrigerante dall’altra parte delle piastre di trasferimento deve inevitabilmente circolare a temperature inferiori a 0 °C. La formazione localizzata di ghiaccio sulla superficie delle piastre non è quindi un caso limite, ma un'inevitabilità fisica.

Cosa significa questo nella pratica?

• Uno strato di ghiaccio sulla superficie di scambio termico riduce significativamente il coefficiente di scambio termico complessivo. Il sistema perde efficienza senza che ciò sia immediatamente evidente.
• L’acqua che gela si espande. La sollecitazione meccanica che ne deriva mette a dura prova la geometria delle piastre e le guarnizioni.
• In caso di guasto, le piastre si rompono. Il refrigerante e il fluido di processo si mescolano. Il sistema diventa economicamente irreparabile.

È proprio per questo che le specifiche dei produttori di scambiatori di calore a piastre (PHE) impongono che la temperatura dell’acqua sul lato delle piastre non scenda mai al di sotto di 0,5 °C. La temperatura di progetto è tipicamente fissata a 1 °C e il controllo della pressione di aspirazione deve funzionare con una precisione di 0,25 °C. Ciò richiede un circuito di controllo completo: controllo della temperatura, sbrinamento a gas caldo, controllo della portata sul lato acqua, valvole di regolazione, valvole pilota, elettrovalvole e valvole di intercettazione aggiuntive, a seconda della capacità. A ciò si aggiungono i costi di progettazione, installazione, cablaggio e programmazione che non compaiono mai in nessun listino prezzi.

Quella che era stata preventivata come una soluzione snella si trasforma, nel corso della progettazione, in un sistema con requisiti di controllo complessi. Il vantaggio in termini di costi rispetto a una tecnologia specializzata si dissolve con ogni componente di controllo aggiuntivo.

Un confronto diretto dei prezzi tra uno scambiatore di calore a piastre (PHE) e il Refrigeratore Falling Film BUCOdelot di solito si ferma al prezzo di acquisto, e in questo caso il PHE sembra più economico. La contabilità dei costi completi racconta una storia diversa.

Controlli e investimento. Per uno scambiatore di calore a piastre (PHE) che include un sistema di controllo completo, i costi totali si suddividono come segue a seconda della capacità di raffreddamento:

In ciascuno di questi casi, il sistema di controllo rappresenta una quota significativa del costo totale; in alcune classi di potenza, quasi quanto l’evaporatore stesso. Il refrigeratore falling film BUCOdelot risulta dimostrabilmente più economico in ogni classe di potenza, da 100 kW a 1.800 kW, poiché richiede essenzialmente solo valvole di intercettazione sulla linea di aspirazione e sull’alimentazione del liquido.

Potenza della pompa e costi di esercizio. Uno scambiatore di calore a piastre (PHE) richiede una pompa dell’acqua con un’altezza di mandata superiore a 5 m. Il BUCOdelot richiede un’altezza di mandata inferiore a 2,5 m. Ciò consente di utilizzare pompe significativamente più piccole, riduce il consumo energetico durante il funzionamento continuo e semplifica notevolmente la complessità dell’impianto. A ciò si aggiunge la caduta di pressione sul lato acqua: gli scambiatori di calore a piastre (PHE) raggiungono valori compresi tra 0,5 e 1,0 bar, mentre il BUCOdelot raggiunge solo circa 0,3 bar.

Guarnizioni e loro punti deboli. Le guarnizioni per grandi scambiatori di calore a piastre costano circa 7.500 € e devono essere sostituite regolarmente. Ciò che è meno noto è che le guarnizioni in gomma sono sensibili all’ozono, come quello generato dai motori elettrici e dalla saldatura ad arco. I solventi organici, gli acidi, il calore e i raggi UV aggrediscono il materiale causandone la fessurazione. Negli ambienti di produzione in cui questi fattori non possono essere completamente esclusi, si tratta di un rischio intrinseco che raramente viene preso in considerazione nel quadro dei costi totali durante la fase di progettazione. Il BUCOdelot funziona senza guarnizioni.

Manutenzione. Gli scambiatori di calore a piastre (PHE) richiedono una pulizia regolare. Il BUCOdelot è un sistema aperto e non pressurizzato, accessibile da entrambi i lati in qualsiasi momento, senza necessità di scarico della pressione né di smontaggio complesso. Lo sforzo richiesto per l’ispezione e la pulizia è notevolmente inferiore. Ogni ispezione non programmata su uno scambiatore di calore a piastre comporta un arresto della produzione.

Su richiesta, HTT AG progetta entrambe le opzioni, lo scambiatore di calore a piastre (PHE) con un sistema di protezione completo e l’alternativa specializzata, e mette a confronto i dati. La decisione spetta al cliente, non al prezzo di listino che capita di essere più basso.

HTT AG sviluppa sistemi di trasferimento di calore progettati strutturalmente per funzionare in prossimità del punto di congelamento, anziché essere adattati a posteriori con controlli di sicurezza.

Refrigeratori Falling Film BUCOdelot

Il BUCOdelot è stato sviluppato per temperature di uscita dell’acqua comprese tra 0,5 °C e 1 °C. L’acqua di processo scorre come un film sottile e uniforme su superfici in acciaio inossidabile raffreddate. Uno strato sottile e controllato di ghiaccio – che comprometterebbe il funzionamento in uno scambiatore di calore a piastre (PHE) – in questo caso migliora effettivamente il trasferimento di calore invece di bloccarlo. Il sistema opera in armonia con le leggi della fisica, non contro di esse.

Ecco un confronto che lo illustra chiaramente: nel funzionamento del BUCOdelot si forma uno strato di ghiaccio di circa 6 mm. Nei sistemi convenzionali con serpentina in serbatoio, lo spessore del ghiaccio raggiunge i 30 mm o più, il che riduce l’area di trasferimento effettiva a un quinto e compromette continuamente le prestazioni di sbrinamento, specialmente in presenza di un flusso di ritorno irregolare dal lato di processo. Con il BUCOdelot, la superficie ghiacciata rimane circa cinque volte più ampia e mantiene così prestazioni costanti.

Allo stesso tempo, la temperatura di evaporazione è di soli −3 °C invece dei −10 °C del processo convenzionale con Batteria del ghiaccio industriale: una differenza di 7 K che si traduce direttamente in minori costi energetici per l’intero periodo di funzionamento.

Un punto importante da chiarire: il coefficiente di trasferimento termico – il valore U – è comparabile per lo scambiatore di calore a piastre (PHE) e per il BUCOdelot. Entrambi i sistemi offrono elevate prestazioni di trasferimento termico. Le differenze non risiedono nella qualità termica, ma nei costi operativi, nella complessità di controllo, nella facilità di manutenzione e nel costo totale. Chi sceglie BUCOdelot non sacrifica le prestazioni di trasferimento termico per ottenere questi vantaggi.

Il sistema è realizzato interamente in acciaio inossidabile, funziona senza pressione, è accessibile da entrambi i lati in ogni momento e non richiede smontaggio per la pulizia o l’ispezione. La carica totale di refrigerante è pari solo al 25% di quella presente in un sistema comparabile con serpentina in serbatoio, il che riduce i costi, i potenziali pericoli e il rischio operativo.

Batteria del ghiaccio industriale / Accumulo di ghiaccio

Il sistema di accumulo di ghiaccio immagazzina l’energia di raffreddamento sotto forma di ghiaccio e la rilascia come acqua ghiacciata a temperature comprese tra 0 e 1 °C durante i periodi di picco della domanda. Si tratta della specifica di progettazione standard, non di un caso limite. Applicazioni tipiche: raffreddamento dell’impasto nei grandi panifici, raffreddamento del latte crudo nei caseifici, raffreddamento di processo nell’industria farmaceutica e copertura dei picchi di carico negli impianti di climatizzazione.

Un vantaggio economico spesso sottovalutato nel confronto diretto con lo scambiatore di calore a piastre (PHE): il sistema di accumulo del ghiaccio disaccoppia la produzione di freddo dalla domanda di raffreddamento. Il refrigeratore carica il sistema di accumulo durante le ore non di picco, quando la domanda di elettricità è inferiore e le tariffe energetiche sono più vantaggiose. I picchi di carico vengono coperti dal sistema di accumulo senza la necessità di sovradimensionare il refrigeratore. In pratica, ciò significa: un refrigeratore più piccolo, costi di esercizio inferiori e temperature di processo più stabili anche in presenza di profili di carico fluttuanti.

Sistemi di scambio termico a piastre Pillow Plate

Le piastre Pillow Plate sono doppie piastre strutturate con canali per il refrigerante integrati, installate come camicie per serbatoi, soffitti incorporati o scambiatori di calore sospesi direttamente all’interno del serbatoio. Raffreddano con precisione i prodotti e i fluidi di processo a temperature vicine a 0 °C senza il rischio di congelamento che richiederebbe interventi di manutenzione su uno scambiatore di calore a piastre (PHE) in questo intervallo di temperatura.

Presso HTT AG, le piastre Pillow Plate sono progettate su misura per adattarsi alla geometria dei serbatoi e ai requisiti di processo del cliente. Dimensioni, spessore delle pareti, percorso del flusso del refrigerante e caduta di pressione vengono calcolati, non stimati. Ciò consente un controllo della temperatura significativamente più preciso rispetto alle soluzioni standard con scambiatori di calore a piastre, il che è fondamentale ovunque tolleranze di temperatura ristrette influenzino direttamente la qualità del prodotto e la durata di conservazione.

La necessità di temperature dell’acqua di processo inferiori a 2 °C non è una questione di nicchia. Riguarda una vasta gamma di settori in cui la qualità del prodotto e la sicurezza del processo dipendono direttamente dalla temperatura di raffreddamento.

Produzione di prodotti da forno: l’impasto si riscalda per attrito durante la lavorazione. Per preservare la struttura del glutine e impedire che il lievito si attivi prematuramente, la temperatura dell’impasto deve essere controllata con precisione. Ciò è possibile solo con acqua di processo vicina a 0 °C.

Latticini e lavorazione del latte: dopo la raccolta, il latte crudo deve essere raffreddato al di sotto dei 4 °C, e in alcuni processi al di sotto dei 2 °C, entro un intervallo di tempo definito per prevenire la proliferazione batterica e garantire la durata di conservazione. In questo ambito, il raffreddamento con acqua ghiacciata non è una caratteristica di lusso, ma un requisito di processo. I sistemi BUCOdelot sono in uso da decenni negli allevamenti da latte e negli impianti di lavorazione.

Lavorazione di pesce e frutti di mare: i prodotti freschi si deteriorano rapidamente. In molte fasi del processo, leggi o standard di qualità impongono temperature di raffreddamento vicine a 0 °C. I sistemi di stoccaggio del ghiaccio che forniscono continuamente acqua ghiacciata a temperature comprese tra 0 e 1 °C sono ormai consolidati in questo settore. Un aspetto rilevante: i sistemi convenzionali con serpentina in vasca utilizzano spesso materiale zincato, che non è consentito dalle normative europee in materia di sicurezza alimentare. I sistemi BUCOdelot sono realizzati interamente in acciaio inossidabile.

Settore farmaceutico: il raffreddamento delle reazioni, i processi di cristallizzazione e il controllo della temperatura per principi attivi sensibili richiedono temperature precise dell’acqua di processo che uno scambiatore di calore a piastre (PHE) standard non è in grado di garantire in modo affidabile a lungo termine senza un notevole sovraccarico di controllo.

La scelta tecnologica non parte dal confronto tra i sistemi. Parte da un’unica domanda: quale temperatura di uscita dell’acqua richiede effettivamente il vostro processo?

Se avete bisogno di 3 °C e uno scambiatore di calore a piastre (PHE) vi soddisfa già dal punto di vista economico, una conversazione onesta con HTT AG ve lo confermerà esattamente. Se avete bisogno di 1 °C o 0,5 °C, dovreste considerare il quadro completo dei costi: costo di investimento più sistema di controllo più manutenzione delle guarnizioni più energia della pompa più rischio operativo, per l’intera durata di vita del sistema. Una tecnologia progettata proprio per questo intervallo di temperatura, in grado di fornire prestazioni termicamente equivalenti con uno sforzo significativamente inferiore, rappresenta la scelta più economica e affidabile per l’intera vita operativa del sistema.

Descriveteci le vostre esigenze di processo. Vi indicheremo quale sistema offre la soluzione progettuale dimostrabilmente migliore per il vostro intervallo di temperatura.