Vi sarà capitato di vedere, in giro per il mondo o in qualche film o serie TV, questi enormi oggetti costruiti in prossimità di una centrale termoelettrica o nucleare. Per fare un esempio, sono famosissime le iconiche strutture presenti in prossimità della centrale nucleare di Springfield, nel mondo dei Simpson. Questi oggetti si chiamano torri di raffreddamento ed il motivo per cui queste strutture hanno questa strana forma a iperboloide, in questi specifici casi applicativi, non è da ricercare in volontà architettoniche, quanto invece in funzionalità tecniche che garantiscono un'ottimizzazione del processo di raffreddamento e del quantitativo di materiale con cui vengono costruite.
Cosa sono le torri di raffreddamento e come funzionano
Anche chiamate torri evaporative, le torri di raffreddamento sono dei veri e propri scambiatori di calore. Uno scambiatore di calore è un sistema nel quale avviene uno scambio di energia termica da un fluido ad alte temperature con altri fluidi a temperature inferiori. Nel caso specifico, il fluido ad alte temperature che si vuole raffreddare è acqua, che subisce un processo di riscaldamento a monte a causa della produzione di calore dei macchinari in uso nelle centrali. L'acqua, per essere reimmessa nel ciclo e garantire nuova dissipazione di calore prodotta dai macchinari, deve essere nuovamente raffreddata. Ecco dunque che subentra la necessità di questo sistema, sebbene l'utilizzo di questa tipologia di torre sia richiesto quando si ha a che fare con grossi volumi di acqua in gioco.
In maniera molto semplificata, all'interno di questa grossa struttura a torre troviamo un sistema di distribuzione di acqua (ad alte temperature) che massimizza la superficie di scambio termico del volume di acqua distribuito. Cadendo per gravità, la generica goccia d'acqua scambia calore con la superficie con cui è a contatto e si accumula sul fondo ad una temperatura inferiore. Lo scambio termico avviene anche con l'aria presente all'interno della struttura: dal basso (che è aperto all'ambiente) l'aria presente in atmosfera entra e aumenta la sua temperatura, spostandosi naturalmente verso l'alto. In questa fase di scambio termico, pertanto, si può generare vapore acqueo, con il risultato visibile di fuoriuscita di fumi, che altro non sono appunto che il vapore prodotto da questo trasferimento di energia.
L'ottimizzazione tramite la geometria
Per garantire questo processo di raffreddamento, si ha necessità di grosse superfici di scambio termico, motivo per il quale queste torri hanno sempre importanti diametri in pianta. Inoltre, per sfruttare al massimo il processo di convezione, è necessario anche avere importanti altezze. Per ottenere un sistema efficiente di queste importanti dimensioni, dunque, si ricorre a questa forma costruttiva particolare, chiamata iperboloide a una falda, o anche iperboloide iperbolico.
Il vantaggio sul movimento dell'aria
Grazie alla forma ottenuta tramite questa nota figura geometrica, la torre di raffreddamento ha una serie di vantaggi. Primo fra tutti, la possibilità di incamerare importanti quantitativi di aria in ingresso, nella zona inferiore. Inoltre, il restringimento nella zona centrale permette di velocizzare il flusso d'aria in uscita che naturalmente si sposta verso l'alto avendo ridotto la sua densità.
I vantaggi dal punto di vista strutturale
Sebbene l'ottimizzazione del movimento d'aria sia importante, il vero vantaggio associato all'utilizzo di questa forma è di tipo strutturale. Infatti, data la costrizione geometrica sulle altezze e sui diametri in gioco, una struttura di questo tipo diventa ardita da realizzare, anche in termini di costi. Basti pensare che si può arrivare ad altezze anche di 200m. Tuttavia, la particolare forma della struttura permette di ottimizzare lo spessore della torre. Infatti, a differenza ad esempio di un semplice cilindro, un iperboloide ad una falda ha una distribuzione di forze interne dovute al proprio peso che risultano essere sempre di compressione. Visto che il peso è una componente sollecitante importante in questa tipologia di strutture, questo risultato garantisce la realizzazione di torri in calcestruzzo armato, di ridotto spessore con limitati quantitativi di armatura di acciaio. Si potrebbe paragonare l'ottimizzazione strutturale ottenuta tramite questa forma con quella garantita dallo spessore del guscio di uovo, ovviamente con le dovute proporzioni tra le due strutture!
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