Diagnostica e risoluzione dei problemi: prestazioni insufficienti di un sistema di raffreddamento industriale

1. Descrizione del problema e ambito di applicazione

Questo manuale è progettato per diagnosticare e risolvere i problemi dei sistemi di refrigerazione industriale che non hanno prestazioni adeguate, ovvero non sono in grado di rimuovere il calore di progettazione dal processo o di mantenere la temperatura del refrigerante desiderata. Una situazione del genere può portare a una riduzione dell’efficienza produttiva, danni alle apparecchiature, aumento del consumo energetico e, in casi critici, all’arresto completo del processo. Il problema riguarda un'ampia gamma di apparecchiature, tra cui refrigeratori, torri di raffreddamento, raffreddatori a secco, scambiatori di calore e relative stazioni di pompaggio e sistemi di circolazione del refrigerante. Classificazione della gravità del problema:

• Critico: Arresto completo della linea di produzione, rischio di danni alle apparecchiature principali, non conformità dei prodotti agli standard di qualità. Richiede diagnosi e intervento immediati.
• Significativo: Riduzione della produttività della linea di produzione, aumento del consumo energetico, superamento delle temperature del processo di progettazione. Richiede attenzione urgente.
• Minori: Piccole deviazioni dalle temperature ottimali, attivazione periodica dei segnali di emergenza, riduzione dell'efficienza energetica. Richiede una diagnostica pianificata.

2. Precauzioni

ATTENZIONE: Quando si lavora con sistemi di raffreddamento industriale, esiste il rischio di contatto con tensioni elevate, parti in movimento, fluidi sotto pressione, temperature estreme e sostanze chimicamente aggressive. La mancata osservanza delle istruzioni di sicurezza può provocare lesioni gravi o mortali.

• Lockout/Tagout: applicare sempre le procedure di lockout e tagout (LOTO) in conformità con EN ISO 14118 e DSTU EN 1037:2003 prima di eseguire qualsiasi lavoro che richieda l'accesso a componenti elettrici o meccanici. Verificare l'assenza di tensione con un multimetro con classe di protezione adeguata (CAT III/IV).
• Energia residua: assicurarsi che tutti gli accumulatori di energia (condensatori, molle, accumulatori di pressione) siano scarichi o bloccati. Nei sistemi con refrigerante, l'alta pressione è possibile anche quando l'apparecchiatura è spenta.
• Dispositivi di protezione individuale (DPI): utilizzare sempre DPI adeguati: occhiali o schermi di sicurezza, guanti (resistenti al calore, resistenti agli agenti chimici), indumenti protettivi, scarpe protettive. Quando si lavora con refrigeranti, utilizzare speciali guanti criogenici e protezioni per il viso.
• Refrigeranti: i lavori con i refrigeranti devono essere eseguiti da personale qualificato in conformità alla norma EN 378 e ai requisiti per lavorare con gas sotto pressione. Fornire una ventilazione adeguata.
• Superfici calde: alcuni componenti (compressori, linee di scarico) possono essere estremamente caldi. Utilizzare un termometro o una termocamera per valutare la temperatura prima del contatto.
• Parti rotanti: evitare il contatto con ventole, cinghie e pulegge quando l'apparecchiatura è in funzione.

3. Strumenti diagnostici necessari

Per una diagnosi e una risoluzione dei problemi accurate, è necessario disporre del seguente set di strumenti conformi agli standard CE e UkrSEPRO:

4. Lista di controllo della valutazione iniziale

Prima di iniziare una diagnosi dettagliata, è fondamentale raccogliere informazioni preliminari ed effettuare un'ispezione visiva. Ciò localizzerà il problema ed eviterà misurazioni non necessarie.

5. Algoritmo diagnostico sistematico

Questo algoritmo fornisce un approccio coerente per diagnosticare il problema delle prestazioni insufficienti del sistema di raffreddamento.

1. Verifica del carico termico:
   1. Determinare il carico termico effettivo del processo.
      • SE il carico effettivo supera significativamente il progetto ALLORA possibile ragione: superamento dei parametri di progettazione del sistema.
      • SE il carico effettivo è uguale o inferiore a quello di progetto ALLORA vai al punto 1b.
   2. Controllare i sensori di temperatura e di flusso che misurano il carico termico.
      • SE i sensori sono difettosi o mostrano dati errati ALLORA motivo: malfunzionamento dei dispositivi di misurazione.
      • SE i sensori funzionano ALLORA vai al punto 2.
2. Valutazione della circolazione del fluido (acqua, salamoia):
   1. Misurare la caduta di pressione e temperatura attraverso l'evaporatore/condensatore.
      • SE la caduta di pressione è elevata e la caduta di temperatura è bassa ALLORA possibile causa: flusso di fluido basso o contaminazione dello scambiatore di calore.
      • SE il calo di pressione e temperatura è normale ALLORA vai al punto 2b.
   2. Controllare le pompe di circolazione.
      • Misurare il consumo di corrente del motore della pompa.
      • Misurare le pressioni di mandata e di aspirazione della pompa.
      • SE la corrente è inferiore al normale e la pressione è bassa ALLORA possibile causa: cavitazione, usura della girante o aria nel sistema.
      • SE la corrente è superiore al normale e la pressione è bassa ALLORA causa possibile: inceppamento, malfunzionamento del motore.
      • SE la pompa funziona normalmente ALLORA vai a 2c.
   3. Controllare i filtri e le tubazioni.
      • SE i filtri sono sporchi o le valvole parzialmente chiuse ALLORA causa: intasamento o regolazione errata.
      • SE il sistema di circolazione del fluido è normale ALLORA andare al punto 3.
3. Analisi del refrigerante e del ciclo frigorifero:
   1. Collegare la stazione manometrica.
      • Misurare la pressione di aspirazione e di scarico.
      • Misurare la temperatura di aspirazione del compressore e di uscita dell'evaporatore (per il surriscaldamento).
      • Misurare la temperatura all'uscita del condensatore e all'ingresso della TRV (per il sottoraffreddamento).
   2. Diagnostica basata su indicazioni:
      • SE bassa pressione di aspirazione, bassa pressione di scarico, alto surriscaldamento. ALLORA causa probabile: carica di refrigerante insufficiente.
      • SE alta pressione di aspirazione, alta pressione di mandata, basso surriscaldamento ALLORA causa probabile: sovraccarico di refrigerante o presenza di gas non condensabili.
      • SE pressione di scarico elevata, surriscaldamento elevato, sottoraffreddamento basso ALLORA causa probabile: contaminazione del condensatore o flusso di refrigerante insufficiente attraverso il condensatore.
      • SE bassa pressione di aspirazione, surriscaldamento elevato, sottoraffreddamento basso ALLORA causa probabile: malfunzionamento del TRV (bloccato, chiuso) o filtro deidratatore parzialmente intasato.
      • SE il refrigerante è normale ALLORA andare al punto 3c.
   3. Controllare le condizioni del compressore.
      • Ascolta eventuali rumori insoliti.
      • Misurare la vibrazione.
      • Misurare il consumo attuale.
      • SE rumori insoliti, vibrazioni elevate o corrente anomala motivo ALLORA: guasto del compressore.
      • SE il compressore funziona ALLORA vai al punto 4.
4. Valutazione dell'efficienza dello scambio termico (evaporatore, condensatore, torre di raffreddamento):
   1. Panoramica degli scambiatori di calore.
      • SE chiari segni di contaminazione (polvere, incrostazioni, depositi biologici) sulle alette del condensatore o all'interno dei tubi dell'evaporatore ALLORA motivo: contaminazione delle superfici di scambio termico.
      • Utilizzo di una termocamera per rilevare zone fredde/calde che indicano intasamenti.
      • SE non vi è alcuna contaminazione evidente ALLORA passare al punto 4b.
   2. Controllo dei ventilatori della cella frigorifera/condensatore.
      • Misura la velocità di rotazione e il consumo di corrente.
      • Controllare lo stato delle pale della ventola, delle cinghie, del motore.
        • SE velocità di rotazione ridotta, pale danneggiate, vibrazioni elevate motivo ALLORA: malfunzionamento del gruppo ventilante, flusso d'aria insufficiente.
        • SE i ventilatori funzionano normalmente ALLORA vai a 4c.
   3. Analisi della qualità dell'acqua nella torre di raffreddamento.
      • SE elevata durezza, alta conduttività, presenza di depositi biologici ALLORA motivo: trattamento dell'acqua inefficace, che porta alla formazione di incrostazioni e biofouling.
      • SE tutti i passaggi precedenti non hanno rivelato la causa ALLORA una revisione approfondita dei dati di progettazione e un possibile audit del sistema.

6. Matrice dei malfunzionamenti e delle cause

La tabella seguente presenta i sintomi tipici, le cause probabili (classificate in base alla probabilità), i test diagnostici necessari e i risultati attesi.

7. Analisi delle cause profonde di ciascun malfunzionamento

7.1. Riempimento insufficiente di refrigerante

Spiegazione: questo è uno dei motivi più comuni per la riduzione delle prestazioni del sistema. Le perdite di refrigerante possono essere causate da danni meccanici alle tubazioni, collegamenti che perdono, guarnizioni usurate o saldature porose. Perdite anche piccole ma costanti comportano nel tempo una notevole perdita di refrigerante. Riducendo la quantità di refrigerante si riduce il flusso di massa attraverso il sistema, con conseguente calo della pressione di aspirazione, aumento del surriscaldamento e riduzione della capacità di raffreddamento.

Conferma: la misurazione della pressione e della temperatura del refrigerante con una stazione di misura mostrerà una pressione di aspirazione anormalmente bassa (inferiore a 2 bar per l'R-134a a 0 °C in evaporazione) e un surriscaldamento tipicamente elevato (superiore a 10-12 °C). L'uso di un rilevatore di perdite elettronico con una sensibilità fino a 3 g/anno (secondo EN 14624) consentirà di localizzare la posizione della perdita.

Conseguenze: se non viene corretto, ciò porta al surriscaldamento del compressore (a causa del raffreddamento insufficiente del motore da parte del vapore refrigerante), all'aumento dell'usura delle parti meccaniche, al danneggiamento dell'isolamento del motore e infine al guasto del compressore.

7.2. Contaminazione delle superfici di scambio termico (evaporatore, condensatore)

Spiegazione: Riduzione dell'efficienza dello scambio termico a causa dell'accumulo di impurità. Nei condensatori raffreddati ad aria possono essere polvere, lanugine, insetti sulla superficie esterna delle lamelle. Nei condensatori ed evaporatori per il raffreddamento ad acqua si tratta di incrostazioni, depositi biologici, prodotti di corrosione sulle superfici interne dei tubi. La contaminazione crea resistenza termica, che impedisce l'efficiente trasferimento di calore tra il refrigerante e il mezzo raffreddato.

Conferma: Ispezione visiva delle superfici disponibili. Misurazione della differenza di temperatura tra il refrigerante e il liquido di raffreddamento: per il condensatore di raffreddamento ad acqua ΔT può superare 5-7 °C, per l'evaporatore - 3-5 °C. La termocamera rileverà aree "fredde" o "calde", indicando un'ostruzione locale. Pressione di scarico aumentata (per condensatore sporco) o pressione di aspirazione ridotta (per evaporatore sporco).

Conseguenze: Aumento del consumo energetico (il compressore funziona con un carico maggiore), ridotta capacità di raffreddamento, usura prematura del compressore a causa dell'aumento della pressione di scarico o della pressione di aspirazione insufficiente. In casi estremi, viene attivata la protezione da alta/bassa pressione.

7.3. Flusso insufficiente del liquido o del mezzo di raffreddamento

Spiegazione: può riferirsi sia al flusso di acqua/salamoia attraverso l'evaporatore che al flusso di aria/acqua attraverso il condensatore. Motivi: valvole di intercettazione o di regolazione parzialmente chiuse, filtri sporchi, malfunzionamento delle pompe di circolazione (usura della girante, cavitazione, aria nell'impianto) o dei ventilatori (cinghie rotte, malfunzionamento del motore, contaminazione delle pale). Un flusso insufficiente riduce l’efficienza del trasferimento di calore, limitando la quantità di calore che può essere trasferita.

Conferma: Misurazione del flusso utilizzando un flussometro a ultrasuoni (confrontare con il modello 1-3 m/s per l'acqua). Misurazione della caduta di pressione dell'evaporatore/condensatore (un aumento significativo della caduta indica intasamento o flusso basso). Controllo del consumo corrente di pompe/ventilatori (scostamento dal valore nominale). Ispezione visiva di filtri e valvole.

Conseguenze: diminuzione della capacità di raffreddamento, superamento delle temperature consentite del refrigerante e del liquido raffreddato, aumento della pressione di scarico (a causa del raffreddamento insufficiente del condensatore) o bassa pressione di aspirazione (a causa del congelamento dell'evaporatore). Rischio di danneggiamento del compressore, congelamento dell'evaporatore.

7.4. La presenza di gas incondensabili nel sistema

Spiegazione: Gas non condensabili (solitamente aria o azoto) possono entrare nel sistema durante l'installazione, la riparazione, attraverso perdite sul lato di aspirazione (durante il funzionamento sotto vuoto) o a causa della decomposizione del refrigerante. Si accumulano nel condensatore, occupando il volume destinato alla condensazione del refrigerante, il che porta ad un aumento della pressione di iniezione e della temperatura di condensazione ad una determinata temperatura del refrigerante.

Conferma: Confronto della pressione di scarico effettiva con la pressione di condensazione corrispondente alla temperatura del refrigerante all'uscita del condensatore. Se la pressione effettiva è notevolmente più alta (di 1-2 bar), ciò indica la presenza di gas non condensabili. Questa pressione non corrisponde alla relazione "pressione-temperatura" di un refrigerante puro. Utilizzando un analizzatore di refrigerante (se disponibile).

Conseguenze: Notevole aumento del consumo energetico, maggiore usura del compressore, surriscaldamento del compressore, riduzione della capacità di raffreddamento. A lungo termine, ciò può causare acidi nel sistema, corrosione e guasti al compressore.

7.5. Malfunzionamento della valvola termoregolatrice (TRV)

Spiegazione: TRV regola il flusso di refrigerante all'evaporatore, mantenendo un surriscaldamento costante. Se la TRV è bloccata in posizione chiusa, il flusso di refrigerante viene ridotto, determinando una bassa pressione di aspirazione, un elevato surriscaldamento e un raffreddamento insufficiente. Se è bloccato in posizione aperta, nell'evaporatore entra una quantità eccessiva di refrigerante, che può causare l'allagamento del compressore con refrigerante liquido.

Conferma: Con TRV chiusa – pressione di aspirazione molto bassa, surriscaldamento molto elevato (superiore a 15 °C), possibile formazione di ghiaccio sulla linea del refrigerante liquido alla TRV. Con TRV aperto - basso surriscaldamento (sotto i 3 °C), possibile formazione di ghiaccio sulla linea di aspirazione del compressore, colpi di liquido nel compressore. Ispezione visiva dei tubi TRV, ascolto.

Conseguenze: A seconda del tipo di guasto – surriscaldamento del compressore, distruzione del gruppo valvole del compressore a causa di shock idraulici, riduzione delle prestazioni del sistema.

8. Procedure dettagliate per la risoluzione dei problemi

8.1. Eliminazione delle perdite di refrigerante e rifornimento di carburante

1. Ricerca perdite: con l'aiuto di un rilevatore di perdite elettronico (EN 14624), ispezionare attentamente tutte le connessioni, valvole, punti di saldatura, saldature, guarnizioni, tubi capillari. Prestare particolare attenzione ai collegamenti soggetti a vibrazioni.
2. Eliminazione della perdita: A seconda della natura della perdita: serrare i collegamenti filettati (coppia di serraggio secondo le raccomandazioni del produttore, ad esempio 20-30 Nm per dadi standard), sostituire la guarnizione, eseguire saldature o riparazioni di saldatura.

   ATTENZIONE: assicurarsi che il sistema sia diseccitato e bloccato (LOTO) e che la pressione del refrigerante sia ridotta a quella atmosferica o pompata al ricevitore prima di qualsiasi intervento di manutenzione che richieda la depressurizzazione del sistema.

3. Aspirazione del sistema: dopo aver riparato la perdita, collegare la pompa del vuoto alle porte di servizio. Evacuare l'aria e l'umidità fino a raggiungere un vuoto profondo di 0,3-0,5 mbar (200-350 micron Hg) e mantenerlo premuto per almeno 30 minuti per verificarne la tenuta.
4. Carica del refrigerante: caricare il sistema con nuovo refrigerante in base alla scheda tecnica dell'apparecchiatura utilizzando una bilancia elettronica accurata. Solitamente il rifornimento viene effettuato in fase liquida nella linea del liquido o nel ricevitore (se il sistema funziona).
5. Verifica funzionale: Dopo il riempimento, avviare il sistema e controllare le pressioni, il surriscaldamento (4-8 °C all'aspirazione del compressore) e il sottoraffreddamento (4-7 °C all'uscita del condensatore).

8.2. Pulizia delle superfici di scambio termico

1. Contaminazione del condensatore di raffreddamento dell'aria:

   1. ATTENZIONE: prima di pulire il condensatore di raffreddamento dell'aria, assicurarsi che tutte le ventole siano spente, diseccitate e bloccate (LOTO).

   2. Rimuovere manualmente lo sporco più grosso (foglie, lanugine).
   3. Lavare le lamelle con un getto d'acqua in pressione (max. 10-15 bar) o aria compressa dall'interno verso l'esterno. Utilizzare detergenti speciali per pulire le lamelle se la contaminazione è grave. Seguire le istruzioni del produttore del detersivo.
   4. Controllare lo stato delle lamelle. Le lamelle accartocciate possono essere accuratamente raddrizzate con un pettine speciale.
2. Contaminazione del condensatore e dell'evaporatore del raffreddamento ad acqua:

   1. ATTENZIONE: prima della pulizia chimica o dello smontaggio, assicurarsi che il sistema sia diseccitato e bloccato (LOTO) e che il liquido di raffreddamento sia scaricato.

   2. Scaricare il liquido di raffreddamento dal circuito.
   3. Lavare lo scambiatore di calore con una soluzione di uno speciale agente chimico per rimuovere incrostazioni o depositi biologici. La procedura deve essere eseguita secondo le istruzioni del produttore dello scambiatore di calore e del detergente, utilizzando una pompa di circolazione e controllando il pH della soluzione. Per rimuovere le incrostazioni vengono utilizzate soluzioni a base di acido citrico o solfammico e per il biofouling vengono utilizzati biocidi.
   4. Dopo il lavaggio, neutralizzare la soluzione e sciacquare accuratamente lo scambiatore di calore con acqua pulita fino a quando il pH è neutro.
   5. Controllare visivamente la qualità del lavaggio o utilizzando un endoscopio.

8.3. Ripristino del flusso del fluido

1. Controllare e regolare le valvole: assicurarsi che tutte le valvole di arresto siano completamente aperte e che le valvole di controllo funzionino correttamente e siano impostate sul flusso previsto.
2. Pulizia dei filtri:

   ATTENZIONE: prima di aprire il filtro, assicurarsi che la pressione nel circuito sia scaricata.

   Aprire e pulire i filtri grossolani e fini. Sostituire gli elementi filtranti se sono molto sporchi o danneggiati.
3. Spurgo dell'impianto: utilizzare le prese d'aria nei punti più alti dell'impianto. Avviare la pompa e aprire gradualmente le prese d'aria finché l'acqua non scorre senza bolle.
4. Diagnosi e riparazione delle pompe:
   1. Se i parametri misurati della pompa (corrente, pressione, vibrazione) indicano un malfunzionamento, smontarla (dopo LOTO e aver scaricato il liquido).
   2. Ispezionare la girante per eventuali segni di usura, danni o intasamenti.
   3. Controllare lo stato dei cuscinetti e delle guarnizioni.
   4. Riparare o sostituire i componenti difettosi. Assemblare la pompa, verificare l'allineamento degli alberi (tolleranza di disallineamento non superiore a 0,05 mm).

8.4. Rimozione dei gas non condensabili

ATTENZIONE: questa procedura richiede la conoscenza delle tecniche di refrigerazione e può rilasciare refrigerante nell'atmosfera a meno che non venga utilizzata un'attrezzatura di recupero speciale.

1. Collegare la stazione di servizio al punto più alto del condensatore.
2. Raffreddare il condensatore (se possibile) per ridurre la pressione del refrigerante.
3. Aprire lentamente la valvola per sfiatare i gas non condensabili. Questa procedura è fondamentale, poiché durante la digestione rapida verrà perso anche il refrigerante. Utilizzare il metodo di controllo della temperatura/pressione per determinare quando il refrigerante puro inizia a fuoriuscire.
4. Si consiglia di utilizzare separatori automatici di gas non condensabili o di rivolgersi ad una società di servizi specializzata per la pulizia professionale.

8.5. Riparazione o sostituzione di TRV

1. ATTENZIONE: Prima di sostituire la TRV, è necessario pompare il refrigerante da una parte del sistema o completamente nel ricevitore, quindi bloccare l'apparecchiatura (LOTO).

2. Scaricare il refrigerante dal circuito dell'evaporatore.
3. Smontare il TRV difettoso. Prestare attenzione alla corretta posizione del palloncino termico e al suo fissaggio.
4. Installare il nuovo TPR, assicurandosi che la direzione del flusso sia corretta e che la sfera termica sia fissata saldamente (in posizione orizzontale, sulla parte superiore della linea di aspirazione, preferibilmente dopo lo scambiatore di calore, se applicabile).
5. Vuotare il circuito e caricare il refrigerante (vedi punto 8.1).
6. Regolare il surriscaldamento della TRV secondo le raccomandazioni del produttore (tipicamente 4-8 °C).

9. Misure preventive

La prevenzione è un elemento chiave per il funzionamento affidabile del sistema di raffreddamento.

10. Pezzi di ricambio e componenti

La disponibilità di pezzi di ricambio critici in magazzino è garanzia di un rapido ripristino dell'operatività dell'attrezzatura. Per effettuare l'ordine, fare riferimento al catalogo elettronico UNITEC-D.

11. Collegamenti

• DSTU EN 1037:2003 Sicurezza delle macchine. Prevenzione dell'avvio inaspettato (EN 1037:1995, IDT).
• EN ISO 14118:2018 Sicurezza del macchinario — Prevenzione dell'avviamento imprevisto.
• EN 378 (tutte le parti) Sistemi di refrigerazione e pompe di calore — Requisiti di sicurezza e ambientali.
• EN 14624:2012 Prestazioni dei rilevatori di perdite e metodi di prova delle perdite per i refrigeranti.
• Manuali di funzionamento e manutenzione dei produttori di sistemi di refrigerazione (ad esempio Daikin, Carrier, Trane, Bitzer).
• Sezioni pertinenti delle norme ISO 50001 (Sistemi di gestione dell'energia) e ISO 14001 (Sistemi di gestione ambientale) sull'efficienza energetica e sulla gestione del refrigerante.
• Raccomandazioni UNITEC-D per la scelta ottimale dei componenti per i sistemi di raffreddamento.