L’acqua viene largamente utilizzata negli impianti industriali, soprattutto come fluido refrigerante. È particolarmente adatta a questo uso per le sue caratteristiche fisiche e per l’aspetto economico.L’acqua (H₂0) viene ampiamente utilizzata all’interno dei circuiti di raffreddamento perché:

• è abbondante in natura;
• è molto economica;
• può essere trasportata e immagazzinata con facilità;
• può assorbire grandi quantità di calore per unità di volume;
• non si espande o comprime significativamente nei normali range di temperatura;
• non si decompone alle elevate temperature.

L’acqua, però, ha anche delle caratteristiche che possono comportare problemi, a partire dalle numerose sostanze disciolte al suo interno come sali, cationi, particelle solide e gas. Inoltre presenta una notevole conducibilità ed è un ambiente ideale per il proliferare di micro e macro-organismi.

Queste caratteristiche rendono l’acqua naturale un ambiente molto aggressivo; per questo motivo prima di impiegarla in ambito industriale, l’acqua deve essere opportunamente trattata. Il potere aggressivo dell’acqua nei circuiti di raffreddamento si manifesta attraverso quattro problemi che spesso si presentano simultaneamente: corrosione, incrostazioni, fouling e contaminazione microbiologica.

Il potere corrosivo dell’acqua

I sistemi di raffreddamento sono soggetti a molti tipi corrosione:
Corrosione generalizzata: è il risultato della reazione di natura elettrochimica tra il materiale metallico delle tubazioni che, fungendo da anodo, si dissolve in forma ionica cedendo elettroni all’idrogeno o all’ossigeno (catodo) inevitabilmente presenti nell’acqua di raffreddamento (che funge quindi da elettrolita).

Corrosione sotto deposito: è una forma di corrosione localizzata che si presenta quando prodotti di corrosione o corpi estranei precipitano andando ad aumentare localmente l’aggressività dell’ambiente.

Pitting: forma particolare di corrosione estremamente localizzata e penetrante causata dalla rottura locale del film di passività; è provocata dalla presenza di particolari ioni.

Corrosione per contatto galvanico: si manifesta quando due o più metalli a diversa nobiltà entrano in contatto fra loro.

Corrosione microbiologica: è causata dall’azione nociva di particolari microrganismi.

Corrosione per turbolenza e abrasione: particelle in sospensione trascinate dal flusso provocano il danneggiamento dello strato di passivazione della superficie metallica.

Queste forme di corrosione vengono combattute attraverso un’accurata scelta dei materiali costruttivi e anche degli eventuali rivestimenti protettivi, tramite opportuni trattamenti dell’acqua e con l’aggiunta di inibitori di corrosione.

Le incrostazioni negli impianti di raffreddamento

Grandi problema nell’efficienza dei sistemi di raffreddamento possono venire dalla presenza di incrostazioni, che possono causare corrosione sotto deposito, per abrasione e per turbolenza; possono inoltre ridurre il coefficiente di scambio termico all’interno dello scambiatore di calore e, quando sono presenti in notevole quantità, possono ridurre la portata volumetrica dell’acqua.

Le incrostazioni sono depositi solidi causati dalla cristallizzazione di sali minerali, che precipitano quando il loro limite di solubilità è superato. I composti incrostanti che si possono trovare nei sistemi di raffreddamento sono numerosi, ma i più diffusi e pericolosi sono: carbonato di calcio (CaCO3), solfuri e solfati di calcio (CaS, CaSO4), silicati e fosfati (MgSiO4, MgPO4) e ossidi di corrosione.

Per limitare il problema delle incrostazioni, l’acqua viene opportunamente trattata: la concentrazione dei carbonati viene ridotta al minimo grazie alla de-carbonizzazione, il PH viene abbassato a valori in cui i carbonati non sono stabili con l’addizione di acidi e per ridurre le incrostazioni vengono usati degli anti-incrostanti.

Il fouling nelle tubazioni e negli scambiatori

Col termine “fouling” si definisce l’accumulo e il deposito di materiale solido presente in sospensione nel fluido. Nei sistemi di raffreddamento esso può essere di due tipi:
1) Fouling inorganico: deriva dalla presenza di sabbia, limo, polvere, fango, argilla, oli, detriti e prodotti di corrosione;
2) Fouling organico (Bio-Fouling): deriva dall’accumulo di sostanze organiche.

Nei sistemi di raffreddamento il fouling è uno degli inconvenienti più seri perché può provocare diminuzioni e blocchi del flusso di acqua nelle tubazioni o nello scambiatore di calore, può ridurre l’efficienza di scambio termico e favorire forme di corrosione localizzata.
Per eliminare o limitare dalle acque di raffreddamento questo gravoso problema si può agire con due strategie differenti: cercare di colpire la causa della formazione del fouling ancora prima che questo problema insorga, oppure cercare di eliminarlo una volta che si è formato.

La contaminazione microbiologica nell’acqua di raffreddamento

L’acqua di raffreddamento, a causa delle sue caratteristiche chimico-fisiche (temperatura media di circa 30 – 35 °C, valori di pH compresi tra 7 e 9), rappresenta un habitat ideale per la proliferazione di moltissime specie microbiologiche. Queste, accumulandosi, contribuiscono ad aumentare la corrosione localizzata e interagendo con gli inibitori di corrosione ne riducono l’efficacia. Inoltre i depositi biologici costituiscono siti di innesco preferenziali per le incrostazioni.

Come prevenire la corrosione nei circuiti di raffreddamento

Per evitare danni economici dovuti a gravi fenomeni corrosivi bisogna operare le scelte giuste in fase progettuale. La velocità e le caratteristiche morfologiche con cui procedono i fenomeni corrosivi sono stabilite dal particolare accoppiamento tra materiale metallico e ambiente. In sede di progettazione bisogna quindi per prima cosa definire le condizioni ambientali operative nelle varie parti dell’impianto.

Per ridurre il più possibile l’entità dei danni ai materiali si può:
i) adottare un materiale stabile nell’ambiente considerato. In molti ambienti l’uso di tubi, raccordi e valvole in materiali polimerici è da preferire a componenti in materiale metallico. Una delle principali caratteristiche delle materie plastiche è, infatti, la loro inerzia chimica
ii) utilizzare rivestimenti protettivi. Quando, a causa di sollecitazioni elevate, non si può rinunciare ai materiali metallici è possibile applicare un rivestimento interno, per esempio, in PTFE o in TFM. Grazie alla loro microstruttura omogenea e compatta, questi rivestimenti garantiscono una superficie levigata e un elevato effetto barriera contro i fluidi aggressivi. Inoltre sono meno soggetti a fouling e incrostazioni e offrono un minor coefficiente d’attrito, cosa che si traduce in risparmio energetico ed economico.
iii) ridurre l’aggressività ambientale (controllo pH, O2, Temperatura, condizioni di moto, sollecitazioni, uso di inibitori).
iv) ricorrere a tecniche di protezione catodica o anodica del materiale.