Modellizzazione e ottimizzazione di una macchina frigorifera per la produzione di neve

The snow making machine in question was made at the NeveXN company head-quarters in the Mechatronics Center of Rovereto. Its main feature is to guarantee snow even when the outside air temperatures reach 12-15°C. The thermodynamic cycle inside the machine is a vapor compression refrigeration cycle, whose working fluid is water. Its main components are the evaporator, two lobe compressors placed in series and the condenser. The additional component to the cycle is a refrigeration machine, which allows you to connect the work cycle and the external environment. The refrigeration unit is air-cooled; it also allows the cooling of the superheated steam output from each compressor, though the use of a cooling circuit positioned in countercurrent with respect to the direction of the main fluid. The flow rate of fluid ‘water side’ that starts from the refrigeration unit also passes through the condenser, thus guaranteeing the trasformation of the heat transfer fluid from superheated steam to subcooled liquid. The product made by the snow making machine under consideration is ice slurry, a binary mixture consisting of water and ice. The ice slurry is the useful effect obtained in the evaporator, which works at the triple point of the water. Inside the evaporator, heat is absorbed through the evaporation of a part of the water present inside, with the consequent cooling of the remaining part of the water, which leads to the formation of ice slurry. On the other hand, the water vapor generated by the absorption of heat is the working fluid of the thermodynamic cycle. Evaporation therefore takes place at constant pressure and temperature, at the triple point of the water, which changes according to the concentration of salt contained in it. A NaCl content that is too low would lead to the formation of a continuous sheet of ice in the evaporator, no longer guaranteeing its correct functioning; while an excessively high level of sodium chloride would no allow snow to be produced as close as possible to natural snow. In fact, the purpose of the NeveXN machine i salso to guarantee the formation of ice crystals very similar to those that would form in nature, in order to also guarantee a certain environmental compatibility; this is because the main application of the machine is to disperse the snow produced. The separation of the ice slurry into snow and water is guaranteed by the separator, which bases its operation through the phenomenon of decantation, a process that guarantees dry snow coming out of the machine.

La macchina per la produzione di neve in esame è stata realizzata presso la sede dell’azienda NeveXN, nel Polo della Meccatronica di Rovereto. La sua principale caratteristica è garantire neve anche quando le temperature dell’aria esterna arrivano ai 12-15°C. Il ciclo termodinamico all’interno della macchina è un ciclo frigorifero a compressione di vapore, il cui fluido di lavoro è acqua. I suoi componenti principali sono l’evaporatore, due compressori a lobi posti in serie e il condensatore. Il componente aggiuntivo al ciclo è una macchina frigorifera, la quale consente di mettere in collegamento il ciclo di lavoro e l’ambiente esterno. Il gruppo frigo è raffreddato ad aria; inoltre permette il raffreddamento della portata di vapore surriscaldato in uscita da ciascun compressore, tramite l’utilizzo di un circuito di raffreddamento posizionato in controcorrente rispetto al verso del fluido principale. La portata di fluido ‘lato acqua’ che parte dal gruppo frigo, attraversa anche il condensatore, garantendone quindi le trasformazioni del fluido termovettore da vapore surriscaldato a liquido sottoraffreddato. Il prodotto realizzato dalla macchina per la produzione di neve in esame è l’ice slurry, una miscela binaria costituita da acqua e ghiaccio. L’ice slurry è l’effetto utile che si ottiene nell’evaporatore, il quale lavora in corrispondenza del punto triplo dell’acqua. All’interno dell’evaporatore avviene l’assorbimento di calore attraverso l’evaporazione di una parte di acqua presente al suo interno, con il conseguente raffreddamento della restante parte d’acqua, che porta alla formazione dell’ice slurry. Dall’altra parte il vapore d’acqua generatosi per l’assorbimento di calore, è il fluido di lavoro del ciclo termodinamico. L’evaporazione avviene quindi a pressione e temperatura costante, in corrispondenza del punto triplo dell’acqua, che viene a modificarsi in funzione della concentrazione di sale contenuta in essa. Un contenuto di NaCl troppo basso porterebbe alla formazione di una lastra continua di ghiaccio nell’evaporatore, non garantendone più il suo corretto funzionamento; mentre un livello eccessivamente alto di cloruro di sodio non permetterebbe di produrre neve il più possibile simile a quella naturale. Infatti il fine della macchina di NeveXN è anche quello di garantire la formazione di cristalli di ghiaccio molto simili a quelli che si formerebbero in natura, in modo da garantire anche una certa compatibilità ambientale; questo perché la principale applicazione della macchina è disperdere la neve prodotta. La separazione dell’ice slurry in neve e acqua viene garantita dal separatore, che basa il suo funzionamento attraverso il fenomeno della decantazione, processo che garantisce neve asciutta in uscita dalla macchina.