Accumulatore di ghiaccio a piastre ad alta efficienza per il raffreddamento industriale

I picchi di richiesta di raffreddamento raramente si verificano nei tempi previsti. Negli impianti di trasformazione alimentare, caseari, birrifici e stabilimenti chimici, la domanda di raffreddamento può aumentare vertiginosamente per alcune ore per poi tornare ai livelli di base. Sovradimensionare un sistema di refrigerazione per coprire il picco significa pagare per una capacità che rimane inutilizzata per la maggior parte della giornata. Un sistema di accumulo di ghiaccio ribalta questa logica: produce ghiaccio durante le ore di basso carico e rilascia il raffreddamento immagazzinato quando la domanda aumenta, uniformando il carico sul sistema di refrigerazione.

La superficie di scambio termico è l'elemento chiave per il successo o il fallimento di un sistema di accumulo di ghiaccio. Le piastre a cuscino sono realizzate con due lamiere di acciaio inossidabile saldate a punti secondo uno schema predefinito e poi gonfiate sotto pressione. Il risultato è un pannello con canali interni che favoriscono il flusso turbolento e una superficie che mantiene una temperatura uniforme. Rispetto ai sistemi di accumulo di ghiaccio a serpentina, la geometria a pannelli piatti offre una maggiore superficie di scambio termico a parità di volume del serbatoio ed è più facile da pulire.

Come funziona il banco di ghiaccio a forma di cuscino

Durante la fase di carica, il refrigerante o un refrigerante secondario circola attraverso i canali delle piastre a cuscino a una temperatura inferiore a 0 °C. L'acqua presente nel serbatoio congela sulla superficie esterna dei pannelli, formando uno strato di ghiaccio. Nella fase di scarica, l'acqua refrigerata di ritorno scorre sul ghiaccio e cede calore, sciogliendo il ghiaccio e fornendo acqua fredda al processo a una temperatura stabile, in genere compresa tra 1 e 4 °C a seconda dell'applicazione.

Poiché i pannelli sono gonfiabili, la geometria del canale interno può essere regolata in fase di progettazione. Un gonfiaggio più ampio produce una minore caduta di pressione; un modello più stretto produce una maggiore turbolenza e migliori coefficienti di scambio termico. Questa flessibilità è il motivo per cui la costruzione a piastre a cuscino viene spesso scelta per lo stoccaggio del ghiaccio, dove sia le prestazioni termiche che l'energia di pompaggio sono importanti. La stessa tecnologia dei pannelli saldati a fossette è utilizzata in tutta la nostrapiastre per cuscini progettate su misuragamma, che può essere adattata a diverse dimensioni di serbatoi e circuiti di raffreddamento.

Dove si inserisce in un sistema di raffreddamento industriale

Le riserve di ghiaccio sono particolarmente utili quando il profilo di carico di raffreddamento presenta un chiaro rapporto picco-media. Casi tipici includono il raffreddamento a lotti nei birrifici, il raffreddamento rapido dopo la pastorizzazione e gli impianti soggetti a tariffe di picco per l'energia elettrica. Spostando parte del lavoro di refrigerazione nelle ore non di punta, la riserva di ghiaccio riduce le dimensioni del refrigeratore e la domanda di energia elettrica nelle ore di punta. Inoltre, funge da cuscinetto: se un refrigeratore si guasta, il ghiaccio immagazzinato mantiene il processo in funzione mentre si risolve il problema.

L'integrazione è importante quanto il pannello stesso. Il banco di ghiaccio necessita di un collettore di distribuzione ben progettato in modo che l'acqua scorra uniformemente su tutti i pannelli e la disposizione del serbatoio dovrebbe consentire l'accesso per la manutenzione senza svuotare l'intero sistema. In molti impianti, il banco di ghiaccio è abbinato a uno scambiatore di calore a piastre che isola il circuito del serbatoio del ghiaccio dal circuito di processo, mantenendo i due circuiti ai propri livelli di pressione e pulizia.scambiatori di calore a piastre con guarnizionisono comunemente utilizzati in questo compito di isolamento.

Aspetti progettuali che influenzano le prestazioni

Tre fattori influenzano le prestazioni reali di un accumulatore di ghiaccio a piastre. In primo luogo, lo spessore del ghiaccio: uno strato di ghiaccio più spesso immagazzina più energia per unità di volume del serbatoio, ma aumenta la resistenza termica e rallenta la velocità di scarico. La maggior parte dei progetti industriali mira a uno strato di ghiaccio che bilanci la densità di accumulo con il tempo di risposta. In secondo luogo, la qualità dell'acqua: i solidi disciolti e la crescita biologica influiscono sia sul trasferimento di calore che sull'igiene, quindi l'acqua del serbatoio necessita di filtrazione e trattamento periodico. In terzo luogo, la distanza tra i pannelli: se troppo ravvicinati, si formano ponti di ghiaccio tra i pannelli, riducendo la superficie di scambio termico; se troppo distanziati, l'ingombro del serbatoio aumenta.

Anche il tipo di acciaio inossidabile merita attenzione. Tipi come il 304 e il 316L sono comuni, con il 316L preferibile laddove l'acqua presenta un contenuto di cloruri più elevato o dove i prodotti chimici per la pulizia sono aggressivi. Il modello di saldatura e la pressione di gonfiaggio devono essere specificati in modo da corrispondere alla pressione di esercizio del circuito del refrigerante, e il pannello deve essere sottoposto a una prova di pressione prima dell'installazione.

Considerazioni pratiche prima di specificare

Partite dal profilo di carico, non dalle apparecchiature. Una curva di domanda di raffreddamento di 24 ore mostra quanta energia può essere realisticamente spostata e quale volume di accumulo è necessario. Da lì, la dimensione del banco di ghiaccio si determina in base allo spessore del ghiaccio consentito e alla geometria del serbatoio. Vale anche la pena verificare come il banco di ghiaccio interagirà con i refrigeratori esistenti: in alcuni impianti il ​​banco di ghiaccio gestisce il picco da solo, mentre in altri funziona in serie per abbassare la temperatura dell'acqua di ritorno e migliorare l'efficienza dei refrigeratori.

L'accesso per la manutenzione è un aspetto che spesso viene trascurato in fase di progettazione. I pannelli devono essere rimovibili o quantomeno accessibili per l'ispezione, e il serbatoio deve essere dotato di uno scarico e di un indicatore di livello. Se il banco di ghiaccio è utilizzato in un processo igienico, lo spazio di testa del serbatoio e la ventilazione devono impedire la formazione di condensa e la contaminazione. Per gli impianti che già utilizzano apparecchiature con piastre saldate, le stesse procedure di manutenzione e lo stesso approccio ai pezzi di ricambio possono spesso essere estesi ai pannelli del banco di ghiaccio, semplificando così la formazione e la gestione delle scorte.

Infine, è opportuno confrontare il quadro generale anziché limitarsi al solo prezzo del serbatoio. Un accumulatore di ghiaccio a piastre con una buona distribuzione del flusso e pannelli di dimensioni adeguate potrebbe costare di più inizialmente rispetto a un'unità a serpentina, ma può ridurre i cicli di funzionamento del refrigeratore, diminuire i costi di picco e fornire un cuscinetto di raffreddamento che protegge la produzione. Per gli impianti in cui l'affidabilità del raffreddamento influisce direttamente sulla produzione, questa combinazione solitamente giustifica lo sforzo progettuale.