L'aria compressa è una delle utenze più costose in uno stabilimento, e quasi ogni kilowatt assorbito dal compressore viene nuovamente espulso sotto forma di calore. Il modo in cui tale calore viene dissipato determina se una macchina mantiene una temperatura di scarico stabile per un decennio o se va in blocco ogni luglio; tuttavia, la configurazione del sistema di raffreddamento è spesso l'ultimo elemento indicato in una scheda tecnica.
Per la maggior parte degli impianti con potenza inferiore a circa 75 kW, in un locale ventilato e ragionevolmente pulito, un’unità raffreddata ad aria rappresenta la scelta più economica e meno rischiosa. Il raffreddamento ad acqua diventa la soluzione migliore quando la potenza supera i 200 kW circa, oppure quando l’ambiente è chiuso, l’aria ambiente è calda e polverosa, o l’impianto funziona in modo continuo, a condizione che sia disponibile acqua di raffreddamento trattata o che il suo impiego sia giustificabile. La questione non è quale metodo raffreddi meglio, poiché l’acqua lo fa sempre, ma se il sito sia in grado di fornire e mantenere il circuito idraulico a un costo totale inferiore rispetto al costo aggiuntivo derivante dallo smaltimento del calore nell’aria.
Le sezioni che seguono illustrano in che modo ciascun circuito dissipa il calore, quali requisiti impone all’edificio e in quali punti si incrociano le curve dei costi.
Come i due sistemi di raffreddamento dissipano il calore
Entrambe le configurazioni utilizzano lo stesso elemento di compressione e gli stessi percorsi di raffreddamento interni. La differenza sta nel dissipatore di calore finale: un sistema raffreddato ad aria dissipa il calore nell’ambiente tramite serpentine alettate e una ventola, mentre un sistema raffreddato ad acqua lo dissipa in un circuito idraulico tramite uno scambiatore a fascio tubiero o a piastre, e da lì verso una torre di raffreddamento o un raffreddatore a secco.
All'interno di un Compressore d'aria rotativo a vite lubrificato ad olio, il calore proviene dal motore, dal gruppo compressore e dal circuito dell'olio. Circa il 90-96% dell'energia elettrica in ingresso si trasforma in calore a bassa temperatura che deve essere dissipato continuamente.
Il circuito di raffreddamento ad aria
Un ventilatore aspira l’aria ambiente attraverso un blocco alettato contenente il radiatore dell’olio e il post-raffreddatore e la scarica nella parte superiore della copertura. Il limite di raffreddamento è dato dalla temperatura a bulbo secco dell’ambiente. L’aria in uscita dal post-raffreddatore ha una temperatura compresa tra 10 e 16 K superiore a quella ambiente, e i modelli standard sono progettati per una temperatura di aspirazione compresa tra 45 e 46 °C, mentre le versioni per temperature ambiente elevate raggiungono i 50 °C.
Il circuito di raffreddamento ad acqua
Uno scambiatore a fascio tubiero sostituisce il blocco alettato: da un lato l’acqua e dall’altro l’aria compressa, normalmente in controcorrente. Poiché l’acqua proviene da una torre di raffreddamento, da un circuito di refrigerazione o da un collettore dell’impianto, la sua temperatura è in gran parte indipendente dalle condizioni meteorologiche e la temperatura in uscita dell’aria rimane di circa 10 K superiore a quella in ingresso dell’acqua. L’impianto risulta più compatto e silenzioso, ma il calore si è semplicemente spostato: ora il carico ricade sulla torre, sulla pompa, sulle tubazioni e sul sistema di trattamento.
"Raffreddato ad acqua" non significa "lubrificato ad acqua"
Nel settore degli appalti, questi due termini vengono spesso confusi. Il termine “raffreddato ad acqua” si riferisce al mezzo utilizzato per lo smaltimento del calore. Il termine “lubrificato ad acqua” indica invece ciò che sigilla e lubrifica la camera di compressione nelle macchine senza olio. Un compressore lubrificato ad acqua può essere raffreddato ad aria, mentre un compressore a iniezione d’olio può essere raffreddato ad acqua.
| Elemento di confronto | Raffreddato ad aria | Raffreddato ad acqua |
| Dissipatore di calore finale | Aria ambiente | Circuito dell'acqua di raffreddamento |
| Scambiatore di calore | Blocco di serpentine alettate | A fascio tubiero o a piastre |
| Temperatura dell'aria in uscita | Temperatura ambiente più da 10 a 16 K | Ingresso dell'acqua più circa 10 K |
| Sensibilità alle condizioni meteorologiche | Alto | Molto basso |
| Attrezzature ausiliarie | Condotti, aspiratore | Torre, pompa, trattamento |
Cosa richiede un compressore raffreddato ad aria dal sito di installazione
Un'unità raffreddata ad aria necessita di una quantità sufficiente di aria fresca per assorbire il calore, di un percorso libero che consenta a tale aria di uscire dalla stanza e di un flusso in ingresso sufficientemente pulito da mantenere libere le serpentine. Quando uno di questi requisiti non viene soddisfatto, l'unità subisce una riduzione di potenza, emette un allarme o si spegne a causa dell'elevata temperatura di scarico, indipendentemente da quanto indicato sulla targhetta.
Il fabbisogno di ventilazione può essere stimato prima di ordinare le apparecchiature. Una formula comunemente utilizzata nel settore fornisce la portata d’aria nella stanza in metri cubi al secondo secondo la formula Qv = 0,92 x N / dT, dove N è la potenza in ingresso al condotto in kW e dT è l’aumento di temperatura consentito rispetto alle condizioni esterne. Per un’unità da 110 kW e un aumento di 8 K, il valore è di circa 12,7 metri cubi al secondo, ovvero 26.800 cfm. Si tratta della ventilazione dell’ambiente, non del ventilatore integrato nell’unità.
La velocità dell’aria attraverso le feritoie di ingresso dovrebbe rimanere pari o inferiore a 5 m/s, e le aperture non devono consentire all’aria calda espulsa di rientrare nell’aspirazione, la causa più comune per cui un locale sembra ventilato sulla carta ma in realtà rimane caldo. Laddove non sia possibile aprire l’ambiente, sia l’alimentazione che lo scarico richiedono canalizzazioni che rientrino nella pressione statica disponibile del ventilatore, una decisione che rientra nella installazione di un compressore d'aria prevedere fin dall'inizio, piuttosto che intervenire con un adeguamento dopo la prima estate. La polvere è la causa di guasto graduale: una serpentina intasata perde gradualmente la propria capacità, quindi il sintomo è un aumento progressivo della temperatura.
Cosa serve a un compressore raffreddato ad acqua: portata, qualità e temperatura
Un sistema raffreddato ad acqua richiede tre condizioni fondamentali: una portata adeguata al carico termico, una composizione chimica dell’acqua compresa entro i limiti specificati dal fornitore dello scambiatore e una temperatura di mandata sufficientemente bassa da mantenere il differenziale di temperatura richiesto. La mancata osservanza di una qualsiasi di queste condizioni si traduce in formazione di incrostazioni, corrosione o aumento della temperatura di mandata.
Dimensionamento della portata dell'acqua di raffreddamento
Poiché quasi tutta la potenza all'albero si trasforma in calore, la portata richiesta in metri cubi all'ora è approssimativamente pari a Q = 0,86 × P / dT, dove P è la potenza all'albero in kW e dT è l'aumento di temperatura dell'acqua consentito in K. Un'unità da 200 kW progettata per un aumento di 10 K richiede circa 17,2 metri cubi all'ora; se si riduce l’aumento a 6 K, il fabbisogno sale a 28,7.
| Potenza all'albero | Rise 10 K | Rise 8 K | Rise 6 K |
| 75 kW | 6,5 m³/h | 8,1 m³/h | 10,8 m³/h |
| 110 kW | 9,5 m³/h | 11,8 m³/h | 15,8 m³/h |
| 200 kW | 17,2 m³/h | 21,5 m³/h | 28,7 m³/h |
Un aumento di pressione di progetto compreso tra 5 e 10 K è normale; un aumento maggiore consente di risparmiare acqua ed energia della pompa, ma aumenta la prevalenza e il carico sull'essiccatore.
Limiti di qualità dell'acqua
Il calcare è la causa principale dei guasti. Un deposito di circa 1 mm sul lato acqua può ridurre le prestazioni dello scambiatore al punto da far uscire la temperatura di mandata dal range di funzionamento, e nessuna regolazione dell’apparecchio è in grado di ripristinarle.
| Parametro | Limite tipico | Conseguenze in caso di superamento |
| pH | Da 7,0 a 9,0 | Corrosione acida o incrostazioni alcaline |
| Durezza totale | inferiore a 100 mg/L come CaCO₃ | Depositi di carbonato di calcio |
| Cloruro | inferiore a 100 mg/L | Corrosione puntiforme dei tubi in acciaio inossidabile |
| Solidi sospesi | inferiore a 10 mg/L | Incrostazioni e ostruzioni del canale |
| Ferro e manganese | inferiore a 0,3 mg/L | Depositi e formazione del biofilm |
L'addolcimento, il dosaggio, la filtrazione in derivazione e la decalcificazione elettronica sono le misure di contrasto più comuni, e il loro costo va incluso nel confronto.
Circuito aperto, circuito chiuso e torri
Una torre di evaporazione a cielo aperto è il modo più economico per dissipare il calore, ma anche il più impegnativo da mantenere pulito. L’acqua di reintegro copre l’evaporazione più lo scarico, pari all’incirca a 1,3-1,5 volte il volume evaporato, e richiede l’aggiunta di biocidi e prodotti anticalcare. Un circuito chiuso che utilizza un raffreddatore a secco o uno scambiatore di calore a piastre isolanti mantiene pulito il lato macchina ed è comunemente utilizzato nei casi in cui una perdita dai tubi comporterebbe un evento di contaminazione. Nei climi freddi, il circuito funziona a glicole oppure viene svuotato al momento dello spegnimento.
Costo di investimento, costi di esercizio e costo di proprietà decennale
Il raffreddamento ad aria è vantaggioso in termini di costo iniziale e semplicità di manutenzione. Il raffreddamento ad acqua è vantaggioso in termini di potenza specifica e stabilità quando un’unità funziona per più di circa 4.000-5.000 ore all’anno a carico elevato. Il punto di svolta dipende dalle ore di funzionamento e dai prezzi locali dell’energia elettrica, dell’acqua e del trattamento delle acque.
| Voce di costo | Raffreddato ad aria | Raffreddato ad acqua |
| Gruppo compressore | Valori di riferimento | In genere dal 5 al 15 per cento in più |
| Impianti di smaltimento del calore | Nessuno | Torre o raffreddatore a secco |
| Pompe, tubazioni, strumenti | Nessuno | Basamento della pompa, valvole, manometri |
| Trattamento delle acque | Nessuno | Ammorbidente o dosaggio |
| Lavori edili | Condotti, feritoie, ventilatori | Passaggi di tubazioni, fondazioni |
I costi operativi sono più simili del previsto. Un gruppo refrigerante raffreddato ad aria consuma energia per il ventilatore pari a circa il 2-4% della potenza nominale del motore e scarica il calore nell’ambiente, che deve poi essere rimosso tramite ventilazione o climatizzazione. Un gruppo refrigerato ad acqua consuma un'energia comparabile per la pompa e il ventilatore della torre di raffreddamento, oltre a comportare costi aggiuntivi per l'acqua di reintegro, i prodotti chimici e lo spurgo. Il vantaggio è una lieve riduzione della potenza specifica, poiché le temperature di aspirazione e di intercooling rimangono basse e costanti. Il confronto più corretto è una valutazione del ciclo di vita piuttosto che un'offerta basata sul costo iniziale, il metodo sostenuto dal Istituto per l'aria compressa e i gas. La manutenzione differisce in termini di frequenza piuttosto che di costo complessivo: una pulizia frequente e poco costosa delle serpentine rispetto a collaudi periodici, decalcificazione e interventi sulla torre.
Il recupero di calore cambia i conti
Poiché quasi tutta l'energia elettrica immessa viene dissipata sotto forma di calore, il recupero termico rappresenta un fattore fondamentale nella progettazione piuttosto che un vantaggio secondario. Un'unità raffreddata ad aria può fornire solo aria calda in inverno, mentre un'unità raffreddata ad acqua è in grado di erogare acqua a una temperatura compresa tra 60 e 70 gradi C durante tutto l'anno.
Il recupero dal lato aria è economico: basta convogliare l’aria di scarico nell’officina quando fa freddo e deviarla all’esterno in estate tramite una serranda, il che riduce le bollette del riscaldamento ma non offre alcun beneficio per gran parte dell’anno in un clima mite. Il recupero lato acqua è continuo: uno scambiatore a piastre nel circuito dell’olio produce acqua calda a 60-70 °C per il preriscaldamento dell’acqua di reintegro della caldaia, il lavaggio o il riscaldamento di processo; tali sistemi si ammortizzano solitamente in uno-tre anni laddove vi sia una domanda costante di acqua calda. Il recupero è redditizio solo quando il calore ha una destinazione continua, e un impianto che necessita di acqua calda 24 ore su 24 spesso giustifica il raffreddamento ad acqua già solo grazie al recupero stesso.
Fattori legati al luogo e all’ambiente che determinano l’esito del caso
Di solito sono cinque i fattori che risolvono la questione prima ancora che inizi l’analisi dei costi: la temperatura ambiente estiva, la presenza di polvere e gas corrosivi nell’aria, lo spazio disponibile sul pavimento e nei condotti, la sensibilità al rumore e il fatto che l’impianto funzioni in modo continuo. Se uno qualsiasi di questi fattori esula dai limiti previsti per i sistemi raffreddati ad aria, la decisione viene di fatto presa al posto vostro.
Un locale compressori chiuso senza pareti esterne rappresenta il caso classico per il raffreddamento ad acqua, poiché ogni passaggio di aria di raffreddamento aumenta la temperatura del locale e questa tende a salire fino a quando la presa d’aria non raggiunge il proprio limite. Il costo non è rappresentato dalla fattura di riparazione, bensì dal fermo imprevisto, e un solo intervento per sovratemperatura su una linea a tre turni può superare l’intera differenza di costo iniziale. Laddove le temperature mostrano già una tendenza al rialzo, le procedure diagnostiche descritte in questa guida per surriscaldamento del compressore d'aria a vite rotativa è opportuno provarle tutte prima di dare la colpa al sistema di raffreddamento.
I due metodi presentano inoltre diversi tipi di malfunzionamento. Le serpentine raffreddate ad aria si sporcano all’esterno, un problema risolvibile, mentre le alette in alluminio in un’atmosfera corrosiva si corrugano e alla fine si sbriciolano. Gli scambiatori raffreddati ad acqua si sporcano all’interno, dove i depositi sono più difficili da raggiungere, ma il lato aria rimane pulito e un ambiente polveroso non influisce sull’unità. Nei climi umidi la forza motrice del lato aria diminuisce all’aumentare della temperatura del bulbo umido, pertanto nei siti tropicali è spesso necessaria una serpentina più grande. Un gruppo refrigerante raffreddato ad acqua è inoltre più compatto e in genere più silenzioso di alcuni dB(A).
Adeguamento del tipo di raffreddamento alle dimensioni del compressore e all’applicazione
Il tipo di raffreddamento dipende dalle dimensioni dell'unità. Il raffreddamento ad aria prevale al di sotto di circa 75 kW; tra i 75 e i 160 kW entrambe le opzioni sono competitive; infine, il raffreddamento ad acqua diventa la scelta predefinita al di sopra di circa 200 kW, oppure ogni volta che l'alta pressione e i rigorosi requisiti di purezza dell'aria portano l'unità a operare in condizioni di elevato calore.
| Fascia di taglie | Scelta abituale | Motivo |
| Fino a 75 kW | Raffreddato ad aria | Carico termico ridotto; spesso non è disponibile la versione raffreddata ad acqua |
| da 75 a 160 kW | O l'uno o l'altro, a discrezione del sito | Il carico termico è gestibile, è la disponibilità idrica a determinare l'esito |
| 200 kW e oltre | Raffreddato ad acqua | Carico termico eccessivo per l'aria ambiente: la stabilità è fondamentale |
| Ad alta pressione, senza olio | Raffreddato ad acqua | Elevata temperatura di scarico, raggio di avvicinamento ridotto |
| Centrifugo | Raffreddato ad acqua | Telaio di grandi dimensioni, intercooler integrati |
Circa l’80% dei gruppi a vite rotativa in servizio è raffreddato ad aria, e i modelli di dimensioni più ridotte sono spesso disponibili solo in tale configurazione. I variatori di velocità e i modelli a due stadi riducono la potenza specifica ma non eliminano il calore; una macchina a due stadi ne rilascia una quantità maggiore alla temperatura dell’intercooler, più facile da dissipare ma non inferiore in termini complessivi.
Qualità dell'aria a valle e trattamento
Il metodo di raffreddamento determina la temperatura di uscita del post-raffreddatore, e tale temperatura determina il punto di rugiada in pressione all’ingresso dell’essiccatore. Un'unità raffreddata ad aria in un locale a 40 °C può erogare aria a una temperatura compresa tra 52 e 56 °C, superiore al valore nominale di ingresso di un essiccatore refrigerato standard, mentre un'unità raffreddata ad acqua con acqua a 30 °C eroga aria a una temperatura compresa tra 38 e 40 °C.
La differenza deriva dalla temperatura di approccio: gli scambiatori raffreddati ad aria mantengono una temperatura compresa tra 8 e 11 K superiore a quella ambiente, mentre quelli raffreddati ad acqua tra 5 e 8 K superiore alla temperatura di ingresso dell’acqua, con un essiccatore standard limitato a una temperatura di ingresso di 45 °C. Il raffreddamento ad aria in un clima caldo comporta quindi un aumento dei costi a valle, richiedendo un essiccatore per alte temperature, un essiccatore sovradimensionato o un post-raffreddatore di regolazione. Il raffreddamento ad acqua mantiene l’essiccatore entro i propri limiti di funzionamento e garantisce un punto di rugiada stabile, aspetto fondamentale per l’aria strumentale, i processi di rivestimento, il taglio laser e qualsiasi processo in cui l’umidità causi scarti. Laddove la purezza sia un requisito contrattuale, specificarla in base alle classi riportate in ISO 8573-1 e confermare l'opzione selezionata essiccatore per compressore d'aria può mantenere quella classe alla temperatura effettiva all'uscita del post-raffreddatore.
Una lista di controllo pratica per la selezione
Valutare il sito in base a criteri ponderati anziché basarsi esclusivamente sulla reputazione di un unico metodo, e verificare l’allacciamento idrico in loco prima dell’emissione dell’ordine di acquisto, anziché dopo la consegna della torre.
| Criterio | Peso | Verdetto sui modelli raffreddati ad aria |
| Temperatura ambiente inferiore a 40 °C | Alto | Passa |
| La stanza può essere climatizzata tramite condotti o a ventilazione libera | Alto | Obbligatorio |
| Polvere o atmosfera corrosiva | Alto | Debole |
| Acqua trattata disponibile | Alto | Non richiesto |
| Ore annuali superiori a 5.000 | Medio | Debole |
| Fabbisogno termico continuo | Medio | Debole |
| Pressione sui costi iniziali | Medio | Forte |
Il sopralluogo deve rilevare la portata, la pressione e la temperatura in ingresso dell’acqua di raffreddamento; un’analisi dell’acqua che comprenda la durezza e il contenuto di cloruri; le dimensioni del locale e l’area delle aperture; il margine di potenza per la pompa e il ventilatore della torre; il limite di rumore al confine più vicino; le ore di funzionamento annuali; e l’eventuale presenza di una destinazione del calore. Qualsiasi elemento valutato come ostacolo esclude il raffreddamento ad aria indipendentemente dal prezzo; ecco perché il sopralluogo precede il preventivo.
Domande frequenti
È possibile convertire un compressore raffreddato ad aria in uno raffreddato ad acqua?
Su molti gruppi a vite con iniezione d’olio ciò è possibile, poiché il circuito interno rimane invariato e viene sostituito solo il lato secondario, ma raramente si tratta di un intervento semplice e immediato. Sono necessari un nuovo scambiatore o un kit di retrofit, una pompa, un’interfaccia di controllo e una revisione delle condizioni di garanzia. Al di sopra di circa 110 kW, l’intervento è talvolta giustificato quando non è possibile ventilare il locale; al di sotto di tale soglia, il costo si avvicina alla differenza di prezzo tra due gruppi nuovi.
I compressori raffreddati ad acqua consumano più acqua rispetto a quelli raffreddati ad aria?
Sì, ma meno di quanto la maggior parte degli operatori si aspetti. Il raffreddamento ad aria non consuma acqua direttamente, anche se l’aria di ventilazione necessaria può sovraccaricare l’impianto di raffreddamento dell’edificio. Un’unità su una torre aperta consuma acqua di reintegro pari all’evaporazione più lo scarico, in genere da 1,3 a 1,5 volte il volume evaporato, mentre un circuito chiuso non ne consuma quasi per niente.
Quale tipo di raffreddamento è più adatto per un'installazione in container o all'aperto?
Raffreddamento ad aria, a condizione che l’involucro consenta il libero flusso dell’aria e protegga gli scarichi dal gelo. Il raffreddamento ad acqua all’aperto ha senso solo quando è già disponibile un circuito dell’impianto, poiché un circuito idraulico esposto comporta rischi di congelamento e corrosione, oltre a richiedere una manutenzione che un sistema compatto raffreddato ad aria all’aperto evita.
