Il panorama industriale attuale deve affrontare diverse sfide dal punto di vista tecnologico, una di queste, comune a prescindere dal settore, è il controllo sulla generazione di calore residuo.
La risposta tradizionale è data dai sistemi di raffreddamento ad aria i cui limiti riguardano le prestazioni in funzione del dispendio energetico e la capacità di assicurare stabilità e continuità operativa.
L’innovazione offerta da un sistema di raffreddamento a liquido, invece, sfruttando le proprietà termofisiche dei fluidi termovettori, si distingue come una soluzione tecnica efficace da utilizzare soprattutto in contesti ad alta intensità termica.
In questo approfondimento analizziamo proprio il raffreddamento a liquido come configurazione ideale per i settori ad alta intensità termica.
I diversi settori industriali in cui emerge la necessità di gestire alte temperature
I comparti industriali dove la gestione di temperature significativamente alte diventa una sfida quotidiana sono in continua crescita, sia per numero che per dimensione.
Nel settore dell’elettronica, l’evoluzione della componentistica, anche di quella meccanica, ha contribuito a un aumento sensibile della densità di potenza. Fino a poco tempo fa, infatti, valeva l’equazione secondo cui il consumo energetico è proporzionale alla dimensione del transistor (Legge di Dennard): ora e già da parecchio non sono più questi i termini, perché i chip riducono sempre più le loro dimensioni ma generano sempre più calore.
Un esempio che viene ancora dal mondo IT riguarda lo sviluppo dell’intelligenza artificiale generativa: questa crescita ha messo notevolmente sotto stress i data center, perché il consumo in kW si è alzato esponenzialmente e di conseguenza anche il calore prodotto.
Ma non sono solo questi i settori coinvolti, per esempio le esigenze di un comparto come quello dello stampaggio plastico sono sì diverse, ma dimostrano che i sistemi di raffreddamento ad aria risultano poco efficaci se paragonati a quelli a liquido.
Anche nell’ambito dell’energia e in particolare lo sviluppo delle automobili elettriche ha offerto un nuovo scenario in cui i sistemi di raffreddamento tradizionali non sono più in grado di dare risultati soddisfacenti: quello della ricarica ultra rapida.
In questi pochi esempi si intuisce come la gestione di intensità termiche elevate non sia la prerogativa di un solo ramo dell’industria produttiva ma si estenda a più sfere e riguardi anche il settore dei servizi.
Perché raffreddare a liquido: i vantaggi strategici
La necessità di individuare una tecnologia di raffreddamento più performante di quella dell’aria non è una novità, la situazione attuale però dimostra che il raffreddamento ad aria non è più sufficientemente efficace.
Ciò sta accadendo perché le tecnologie di produzione si sono evolute e questa transizione industriale richiede di rivedere la gestione del trasferimento termico.
Il raffreddamento termico trasferisce l’energia sotto forma di calore dalla sorgente che l’ha prodotta a un cosiddetto ambiente esterno, cioè un pozzo termico. Il processo di questo trasferimento dipende principalmente dal mezzo impiegato e in particolare dalle sue proprietà fisiche.
L’aria è un conduttore di calore molto meno efficiente se paragonata all’acqua e ancor più inefficiente se confrontata con il lavoro dei fluidi dielettrici.
In termini scientifici questo risulta chiaro nel momento in cui si valuta la capacità termica volumetrica e la conducibilità termica: la sola acqua e ancor più i liquidi refrigeranti sono soluzioni migliori dell’aria perché occupano meno volume e a parità di massa possono trasportare più energia termica.
Efficienza energetica e gestione dello spazio fisico
Le due proprietà fisiche appena evidenziate, la capacità termica volumetrica e la conducibilità termica, sono direttamente responsabili di un efficientamento energetico del sistema oltre che di una riduzione delle dimensioni complessive.
Un sistema raffreddato ad aria, infatti, richiede un dispendio energetico significativamente maggiore per ottenere risultati meno performanti e occupa uno spazio fisico sensibilmente più grande.
Una soluzione di raffreddamento a liquido, invece, sostituendo le ventole interne con pompe idrauliche riduce l’ingombro e richiede minore energia implicando direttamente una riduzione nei costi operativi energetici.
Miglioramento dell’ambiente di lavoro, recupero energetico e sostenibilità
In termini di inquinamento acustico, le ventole industriali non possono reggere il confronto con sistemi a liquido: in questo secondo caso, infatti, la silenziosità è quasi totale il che significa per gli operatori un ambiente di lavoro più salubre.
Inoltre, il raffreddamento a liquido è in grado, tramite scambiatori di calore, di sfruttare al massimo il calore trasportato per impiegarlo efficacemente per esempio nel riscaldamento di ambienti come uffici, nel preriscaldamento dell’acqua sanitaria o ancora per essere nuovamente impiegato nei processi industriali.
Entrambi questi aspetti concorrono a presentare i sistemi a liquido come soluzioni più idonee anche sotto il profilo della sostenibilità ambientale.
Applicazioni del raffreddamento a liquido e soluzioni specifiche per i diversi settori
A seconda del processo produttivo, le tecnologie per il raffreddamento a liquido sono diverse proprio perché cambia il contesto di riferimento.
Analizziamo più da vicino quali sono le applicazioni nei diversi settori.
Data center e intelligenza artificiale
Guardando al mondo informatico, abbiamo di fronte il settore trainante per l’innovazione nel raffreddamento a liquido: si tratta infatti del comparto in cui si sviluppano temperature sempre più elevate in spazi estremamente contenuti.
La soluzione più adatta per i server dei data center è data dall’immersion cooling: in questo modo si ottiene la massima efficienza termica riducendo completamente il rumore e i rischi di ossidazione.
Stampaggio di materie plastiche
Tra le tecniche di stampaggio plastico, quella a iniezione è la più coinvolta nel momento in cui si esamina il raffreddamento perché rappresenta la parte maggiore del tempo impiegato per l’intero ciclo.
In questo contesto particolare, quindi, l’efficienza del raffreddamento è direttamente responsabile della produttività del processo: le tecnologie a liquido si dimostrano non solo più veloci ma anche più precise ed efficaci.
Stampa digitale
Nella stampa digitale industriale, la stabilità dell’inchiostro è garantita da condizioni di temperatura costanti. La sua viscosità viene alterata dagli sbalzi termici e ciò compromette direttamente la qualità del prodotto finale.
Mobilità elettrica
L’avvento e la diffusione della mobilità elettrica presenta nuove prove per la ricarica dei veicoli, soprattutto per la ricarica ultra rapida che ha sempre segnato un punto a favore dei motori termici.
Raggiungere un distributore di benzina o gasolio dove riempire il serbatoio del proprio veicolo in un tempo minimo, infatti, rappresenta per l’utente finale un vantaggio reale in termini di gestione dei tempi e pianificazione.
I cavi per la ricarica elettrica devono essere in grado di trasportare energia senza surriscaldarsi. Il raffreddamento ad aria non è una soluzione praticabile perché il volume e il peso non sarebbero sostenibili, il sistema a liquido, invece, offre l’unica alternativa valida.
Funzionamento e componenti di un sistema di raffreddamento a liquido
L’impianto di raffreddamento a liquido nel suo complesso è più performante delle soluzioni tradizionali ad aria ma richiede che la scelta di ogni componente sia fatta in maniera oculata per assicurare l’affidabilità dell’intero sistema.
Vediamo più da vicino la componentistica.
Fluido refrigerante
Le proprietà termodinamiche dell’acqua la rendono un candidato migliore dell’aria per quanto riguarda il trasporto dell’energia termica, tuttavia i liquidi contenuti nei sistemi di raffreddamento sono formulati per avere un rendimento ancora maggiore.
La miscela che compone questi fluidi è a base di acqua alla quale vengono aggiunti inibitori di corrosione specifici che variano a seconda del metallo presente nel circuito. Inoltre, alla formulazione studiata per offrire le migliori prestazioni termiche viene aggiunto un trattamento biocida per evitare la formazione di ostruzioni.
Raccordi e connettori
Il rischio maggiore nei sistemi a liquido è dato dalle perdite: le tecnologie dei raccordi devono assicurare sotto questo profilo un rendimento ottimale.
I materiali impiegati sono sia metalli come l’acciaio inossidabile che polimeri tecnici, il cui impiego risulta vantaggioso sia sotto l’aspetto del peso che del rischio di corrosione.
Collettori e gestione del flusso
I collettori sono i componenti responsabili della distribuzione del fluido alle diverse utenze del sistema. Si tratta di tubi ai quali vengono integrati sensori capaci di restituire informazioni utili e necessarie per quanto riguarda portata, temperatura e pressione.
Quando i sistemi di controllo ricevono i dati ottenuti in tempo reale da questi sensori possono monitorare la situazione e rilevare l’insorgenza di problemi prima che questi generino un guasto termico.
La sicurezza e il rilevamento delle perdite
I sistemi di rilevamento perdite, in ultimo, offrono la ridondanza necessaria a garantire la sicurezza dell’impianto.
Il posizionamento di cavi sensibili ai liquidi lungo il percorso delle tubazioni e in punti strategici assicura che, nel caso di una perdita, questa venga non solo immediatamente segnalata ma anche precisamente individuata all’interno del circuito.
Rischi di un raffreddamento inefficiente o inadeguato
Il surriscaldamento termico e una mancata gestione del calore sono tra le prime cause responsabili di guasti e quindi tra i maggiori fattori che influenzano la continuità produttiva di un impianto.
Un sistema di raffreddamento inadeguato, quindi, non solo probabilmente risulta poco performante ma mette a rischio l’intera produzione perché espone a guasti che possono determinare situazioni di fermo non previste.
Il raffreddamento a liquido è più efficace e sicuro sotto molti aspetti se paragonato a quello ad aria, non da ultimo va considerato il fatto che una gestione migliore delle alte temperature riduce anche lo stress termico delle macchine e ne aumenta implicitamente la vita utile.
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