Chiller industriali: soluzioni essenziali per il controllo termico nelle lavorazioni di precisione

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Le macchine utensili, durante il loro funzionamento, generano una notevole quantità di calore in diverse parti a causa dell’elevata potenza impiegata, dell’attrito derivante dalle intense forze meccaniche e delle elevate velocità di rotazione degli utensili. 

Questo aumento di temperatura interessa componenti vitali come motori elettrici, azionamenti, sistemi di trasmissione, mandrini, utensili e i pezzi in lavorazione stessi. 

La conseguenza diretta di questo surriscaldamento è la dilatazione termica del metallo, una condizione che, se non gestita correttamente da un sistema di controllo termico adeguato, può seriamente compromettere l’accuratezza del processo di lavorazione. 

Per ovviare a questo problema, all'interno delle macchine vengono fatti circolare olio e fluidi lubro-refrigeranti con lo scopo di raffreddare i componenti, gli utensili e i pezzi in lavorazione. 

Il sistema di raffreddamento che realizza questa funzione è denominato “Chiller”.

Le prestazioni di un chiller si misurano in base alla sua capacità di prevenire la distorsione termica della macchina o del pezzo in lavorazione, recuperando il calore trasportato all’esterno dall’olio o dal refrigerante e mantenendo la temperatura del liquido il più costante possibile.
 

Come funzionano i chiller industriali? Un'analisi dettagliata

A differenza dei refrigeratori d'acqua convenzionali o dei semplici ventilatori, i chiller industriali eseguono un controllo arbitrario della temperatura che va oltre il semplice scambio termico. Essi monitorano e controllano attivamente la temperatura del refrigerante all'interno di un circuito chiuso isolato.
 

Il principio di funzionamento: un ciclo termodinamico in quattro fasi
 

Il funzionamento dei chiller industriali si basa su un ciclo termodinamico che si articola in quattro fasi fondamentali, come illustrato nella Figura 1.

 

1. Compressione: il refrigerante, inizialmente contenuto in un circuito chiuso, viene compresso da un compressore. Questa azione innalza significativamente la sua temperatura e pressione, trasformandolo in un gas ad alta temperatura e alta pressione.

2. Condensazione: il gas compresso viene quindi convogliato verso un’unità condensante. Qui, il gas cede calore all’ambiente esterno (o a un altro fluido di raffreddamento) e si raffredda, cambiando il suo stato in un liquido ad alta temperatura e alta pressione.

3. Espansione: il liquido ad alta temperatura e alta pressione raggiunge il sistema di espansione, dove viene iniettato e decompresso attraverso una valvola di espansione elettronica. Questo processo provoca un drastico calo di pressione e temperatura, generando un fluido a bassa temperatura e bassa pressione. Questo fluido a bassa temperatura è pronto per assorbire calore. La quantità di refrigerante che circola nel sistema viene regolata con precisione modificando l'apertura della valvola in risposta alla richiesta di capacità di raffreddamento.

4. Evaporazione: il fluido a bassa temperatura e bassa pressione entra nell’evaporatore (uno scambiatore di calore). L'energia necessaria per l'evaporazione (calore latente di vaporizzazione) viene fornita dall’olio o dal fluido lubro-refrigerante proveniente dalla macchina utensile, che di conseguenza si raffredda. Durante questo scambio termico, il refrigerante liquido si trasforma in un gas a bassa temperatura e bassa pressione. Questo gas viene quindi aspirato nuovamente dal compressore, chiudendo il ciclo e pronto per ricominciare.

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Componenti chiave di un Chiller industriale
 

Il corretto funzionamento di un chiller industriale dipende dall'interazione precisa di diversi componenti fondamentali.

• Compressore: é il cuore del sistema, responsabile dell'aumento della pressione e della temperatura del refrigerante gassoso.

• Unità condensante: ha il compito di raffreddare e condensare il refrigerante gassoso ad alta pressione in un liquido ad alta pressione, dissipando il calore.

• Sistema di espansione (Valvola di espansione elettronica): regola il flusso del refrigerante e ne riduce drasticamente la pressione e la temperatura prima che entri nell'evaporatore.

• Evaporatore (scambiatore di calore): è dove avviene lo scambio termico vero e proprio, con il refrigerante a bassa temperatura che assorbe il calore dall'olio o dal fluido di raffreddamento, raffreddandolo.

• Refrigerante: è il fluido di lavoro che circola all'interno del sistema chiuso, assorbendo e rilasciando calore durante i cambiamenti di stato.

• Elettronica di regolazione: un sistema elettronico dedicato gestisce e controlla con elevata precisione ogni fase del ciclo di condizionamento termico, ottimizzando le prestazioni e l'efficienza del chiller.

L'Importanza del controllo preciso della temperatura nei chiller Industriali

Come accennato, la funzione primaria di un chiller industriale è prevenire la distorsione termica delle macchine utensili e dei pezzi in lavorazione. Mantenere una temperatura del fluido costante è fondamentale per garantire la stabilità dimensionale e la qualità del prodotto finito. Con l’aumento della precisione richiesta dalle macchine utensili moderne, diventa sempre più necessario un controllo della temperatura del liquido estremamente accurato. Il trend di lungo periodo nel settore dei refrigeratori è il continuo miglioramento della precisione del controllo della temperatura del liquido.
 

La tecnologia Ibrida Daikin "OilCon": un approccio innovativo

Daikin Industries, un rinomato produttore globale di sistemi di condizionamento dell'aria e componenti idraulici, ha acquisito nel giugno 2022 Duplomatic Motion Solutions, un'azienda con una solida tradizione nella progettazione e produzione di componenti e sistemi di motion in ambito oleodinamico.

All'interno della sua divisione idraulica, che ora include il gruppo Duplomatic, Daikin sviluppa e produce refrigeratori ad elevate prestazioni e ad alta efficienza energetica per macchine utensili denominati "OilCon".

Questo nome trae ispirazione dalla lunga esperienza di Daikin nel settore del condizionamento dell'aria, un campo in cui l'azienda si distingue per le sue competenze nelle tecnologie di refrigerazione e inverter.Infatti, Daikin è l'unico produttore di sistemi di condizionamento che sviluppa internamente tutti i componenti critici utilizzati nel ciclo di refrigerazione. La divisione chimica di Daikin è inoltre all'avanguardia nello sviluppo di diversi tipi di refrigeranti con una forte attenzione alle tecnologie ecologiche.

 

Vantaggi della tecnologia inverter nei chiller industriali Daikin

Daikin ha introdotto la tecnologia inverter per il controllo ad alta efficienza energetica dei motori elettrici fin dal 1986. La produzione di massa degli inverter ha portato a significativi progressi nello sviluppo di unità a basso costo e alta efficienza, dotate di algoritmi sofisticati per il controllo dei motori IPM (Internal Permanent Magnet) presenti in ogni apparecchiatura Daikin.

Nei refrigeratori OilCon, la combinazione di queste tecnologie si traduce in un controllo della temperatura molto accurato ed elevati risparmi energetici. Il compressore controllato da inverter permette di modulare la capacità di raffreddamento in base al carico termico effettivo, evitando consumi energetici superflui. Il motore IPM ad alta efficienza regola la velocità del compressore in base alla capacità di raffreddamento richiesta, garantendo un controllo termico estremamente preciso, tipicamente con una precisione di ± 0,1 °C.

Le prestazioni del controllo termico rimangono quasi costanti indipendentemente dalle variazioni del carico termico, come illustrato nella Figura 2. Rispetto ai modelli non inverter di altri produttori, il consumo energetico può essere ridotto in genere del 45% (Figura 3).

 

Le diverse applicazioni dei chiller industriali Daikin "OilCon"

Sulla base delle tecnologie avanzate descritte, Daikin ha sviluppato diverse configurazioni di chiller "OilCon" specificamente progettate per il raffreddamento di refrigeranti, lubrificanti, oli idraulici e da taglio utilizzati nelle macchine utensili, come mostrato nella Figura 4.

Esistono quattro tipologie di chiller che si distinguono in base al tipo di liquido da raffreddare (olio o acqua) e al metodo di installazione (a ricircolo o ad immersione). Anche il metodo di controllo della temperatura può essere selezionato in base alle esigenze specifiche dell'applicazione. Sono disponibili tre modalità di controllo principali:

• Controllo per mantenere la temperatura ad un valore prefissato.

• Controllo per sincronizzare la temperatura con quella ambiente.

• Controllo per sincronizzare la temperatura con quella della macchina utensile.

I modelli attuali, come le serie a ricircolo AKZ9 e AKZ10 e la serie ad immersione in vasca AKJ9, raggiungono una precisione di temperatura standard di ± 0,1 °C, mentre specifiche speciali possono supportare precisioni fino a ± 0,01 °C, con una precisione che rimane pressoché indipendente dal carico termico.

 

L'evoluzione dei chiller Industriali: verso l'Industria 4.0 e l'IoT

Con la crescente sofisticazione delle macchine utensili, si assiste a una parallela crescita della necessità di un controllo sempre più accurato della temperatura del liquido di raffreddamento. Recentemente, l'integrazione di funzionalità legate all'Internet of Things (IoT) nelle macchine utensili sta diventando uno standard. Di conseguenza, aumentano di anno in anno le richieste degli utenti per funzionalità IoT anche nei chiller, e sono in corso continui sviluppi in questo ambito. Sebbene il monitoraggio remoto dei chiller sia già una realtà commerciale, la fase iniziale si è limitata alla semplice connessione delle apparecchiature. Attualmente, si stanno raccogliendo dati per stabilire una correlazione precisa tra la temperatura del fluido del chiller e l'accuratezza della lavorazione delle macchine utensili. In futuro, l'applicazione dell'intelligenza artificiale e dell'apprendimento automatico a questi dati consentirà di quantificare la relazione tra la temperatura del fluido e la precisione di lavorazione. Questo aprirà la strada a un ulteriore avanzamento nella precisione del controllo, passando da un sistema di feedback che reagisce ai cambiamenti di temperatura del liquido raffreddandolo, a un controllo predittivo in cui le variazioni della temperatura del liquido vengono soppresse anticipando il controllo a monte della temperatura richiesta in base al tipo di lavorazione eseguita dalla macchina.

 

Sostenibilità e efficienza energetica: la visione ambientale di Daikin per i chiller industriali

Parallelamente all'aumento della precisione delle macchine utensili, cresce anche il numero di chiller installati. Considerando la crescente attenzione dei produttori di macchine utensili verso sistemi sempre più rispettosi dell'ambiente, la domanda di refrigeratori inverter ad alta efficienza energetica è in costante aumento. La visione del gruppo Daikin è fortemente orientata alla sostenibilità e al contributo che l'azienda può offrire alla società per raggiungere tale obiettivo attraverso i suoi prodotti. Daikin si impegna a raggiungere zero emissioni nette di gas serra entro il 2050 in tutte le sue sedi e controllate, con un obiettivo intermedio di dimezzamento delle emissioni entro il 2030. L'azienda promuove attivamente l'adozione della tecnologia inverter in tutti i suoi prodotti e investe considerevolmente nello sviluppo delle tecnologie di base necessarie per migliorare l'efficienza energetica delle apparecchiature. Queste tecnologie includono la ricerca fondamentale su motori elettrici ad alta efficienza, inverter, tecnologie di controllo motori in tempo reale, prodotti chimici, refrigeranti ecologici ad alta efficienza, nonché il riciclaggio delle apparecchiature e il recupero dei refrigeranti presenti sul mercato al termine del ciclo di vita del prodotto.

 

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