Scambiatori a fascio tubiero…speciali

Ultimamente abbiamo realizzato degli scambiatori a fascio particolari.

Si tratta di una applicazione in ambito chimico, per la termostatazione di piccoli reattori da laboratorio. Solitamente per queste applicazioni utilizziamo scambiatori a piastre, in questo caso per via di alcune particolari necessità abbiamo virato su soluzioni a fascio tubiero.

Infatti in un caso specifico, il cliente aveva necessità di far passare il fluido di processo all’interno dello scambiatore, che per implicazioni di resistenza alla corrosione, deve essere necessariamente realizzato in titanio. Al contempo non esistono i presupposti per la funzionale resistenza chimica delle guarnizioni. Le dimensioni dello scambiatore sono talmente ridotte che una soluzione “all welded” sarebbe estremamente costosa, quindi abbiamo realizzato dei piccoli scambiatori a fascio tubiero in titanio.

 scambiatori a fascio tubiero in titanio

Analogamente per la sezione di raffreddamento, si dispone di acqua moderatamente fredda, e volendo raggiungere un livello di temperatura simile, nella camicia del reattore, abbiamo realizzato uno scambiatore a fascio tubiero molto particolare, che consenta di ottenere le temperature richieste, nonostante le portate in gioco molto ridotte.

scambiatori a fascio tubiero in titanio

Scambiatori di calore e pressione

La pressione di lavoro negli scambiatori di calore è un elemento importante anche se spesso non è determinante ai fini della scelta del tipo di apparecchiatura.

Ci sono delle applicazioni dove invece questo elemento diventa discriminante nella selezione dello scambiatore adeguato alle condizioni di progetto.

Nello specifico vi sono applicazioni dove le pressioni di design sono molto elevate:

  • impianti di refrigerazione a CO2 (anidride carbonica)
  • impianti di lubrificazione ad alta pressione
  • impianti di alimentazione a LPG (gas naturale liquefatto)
  • impianti ad aria compressa

Questi per citarne solo alcuni che mi vengono in mente in questo momento…e sui quali abbiamo raccolto esperienze.

Per queste applicazioni abbiamo progettato gli scambiatori a piastre saldobrasati della serie TPLATE C, che consentono di resistere a pressioni molto elevate.

In ogni caso oltre alla pressione di lavoro è molto importante valutare le eventuali variazioni di pressione e la loro frequenza, che potrebbero generare fenomeni di risonanza ai quali lo scambiatore potrebbe non reggere.

HIGH PRESSURE HEAT EXCHANGER

Termoregolazione in campo farmaceutico

In ambito farmaceutico e chimico sono molteplici le utenze che richiedono una regolazione della temperatura corretta e puntuale.

Solitamente in queste applicazioni è necessaria una costruzione speciale, con sistemi di regolazione che siano flessibili e adeguatamente controllabili da parte del cliente.

Soprattutto in ambito farmaceutico è richiesta la massima adattabilità del sistema alle varie esigenze di produzione, che possono variare parecchio rispetto alle necessità che erano sorte in fase di progettazione.

 

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In fase di progetto si opera in modo da ottenere un ampio range di regolazione della temperatura sulle utenze, ampliando i limiti anche oltre le iniziali richieste dei clienti, impiegando spesso materiali e componenti che diversamente non troverebbero giustificazione.

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Cogenerazione ad alto rendimento in Italia

Cogenerazione ad alto rendimento (CAR) e teleriscaldamento efficiente (TLR) hanno un notevole potenziale di crescita in Italia, soprattutto nel settore industriale, stando al rapporto del GSE presentato nel 2016 in risposta alla direttiva UE sulla efficienza energetica del 2012.

Tempco cogenerazione

Il GSE stima un potenziale di sviluppo della cogenerazione CAR in Italia pari a 3.320 ktep, con un incremento di 1.236 ktep nei settori industriale (740 ktep) e terziario (496 ktep). Il potenziale sviluppo del TLR sarebbe invece pari a 1.161 ktep, con un incremento di 359 ktep rispetto al calore erogato nel 2013 da TLR (802 ktep), dei quali 115 ktep come calore prodotto da sfruttamento delle biomasse e 49 ktep da termovalorizzazione dei rifiuti.

Installato
Nel 2013, il totale degli impianti CAR installati in Italia era di 1.025 unità, per una capacità elettrica di 13,1 GW, e produzione elettrica e termica in cogenerazione ad alto rendimento di 26,1 TWhe e 31,3 TWht.
Il settore industriale ha consumato il 76% del calore prodotto tramite CAR, con raffinerie e industria della ceramica e del vetro tra i settori industriali a maggior consumo di energia termica, seguiti da siderurgia, chimico e petrolchimico.
Il restante 24% impiegato da residenziale e terziario è stato veicolato per lo più da infrastrutture di teleriscaldamento.

 

Potenziale sviluppo
A trainare lo sviluppo di impianti CAR negli ultimi anni è stato quindi il settore industriale: nel 2013, erano 283 le unità installate, per una potenza elettrica installata di 8,77 GWe cui corrisponde una potenza termica ed elettrica cogenerata rispettivamente di 23,3 TWht e 18,3 TWe.
L’ulteriore potenziale di sviluppo incrementale di energia termica ed elettrica da CAR varia quindi a seconda dei settori industriali: stimato rispettivamente in 8,6 TWht e 6,3 TWhe, e in termini di capacità di circa 0,9 GWe e 2 GWt, è concentrato nel settore alimentare, nella fabbricazione di materiali da costruzione, industrie ceramiche soprattutto, nei settori chimico e petrolchimico e nel settore tessile, soprattutto concerie.

In appendice al documento, anche incentivi attualmente disponibili per cogenerazione e teleriscaldamento CAR e TLR.

Metalli e fluidi, evitare la corrosione

Nella scelta dei metalli più idonei nella costruzione di macchine e apparecchiature industriali, occorre tenere conto della resistenza alla corrosione dei diversi materiali a contatto con varie tipologie di fluidi.

Qui sotto riproponiamo una tabella che raccoglie i dati basati su test di laboratorio, utile guida alla corretta selezione dei materiali per non incorrere in danni a carico di macchine termiche, per gestione energia termica e in industria di processo, come scambiatori di calore e centraline di termoregolazione industriale, così come per apparecchiature industriali che lavorano con fluidi, in settori quali alimentare, chimico, energia e oil & gas.

 

La scheda prende in considerazione diversi tipi di acciai inox, oltre a bronzo e ghisa, e il loro comportamento a contatto con un’ampia varietà di elementi, fluidi e sostanze aggressive e potenzialmente corrosive.

Altri materiali e schede tecniche di supporto a installazione e manutenzione disponibili per download nella sezione Risorse del nostro sito Tempco.

Come funzionano le pompe di calore

Dalla penna di Fabrizio Gallelli, direttamente dal sito www.ingegneri.info, un interessante articolo, che spiega come funzionano le pompe di calore.

Si tratta di un argomento legato al mondo del condizionamento civile, più che alla refrigerazione industriale, in ogni caso chiarisce in modo chiaro i principi di funzionamento di questi “refrigeratori/riscaldatori”, con le varie tipologie e le loro peculiarità.

Chiller refrigeratori 5

 

Troppe piastre!

Titolo amletico, per un argomento interessante.

Spesso quando progettiamo gli scambiatori a piastre ci viene richiesto di abbondare nel sovradimensionamento, per essere sicuri che lo scambiatore poi possa fornire le performance adeguate, anche in caso di sporcamento.

Spesso però questo extra margine ha delle controindicazioni.

Infatti un eccessivo sovradimensionamento, porta ad una diminuzione delle velocità dei fluidi nei canali nello scambiatore a piastre.

Il calo della velocità comporta due fattori negativi:

  • minore turbolenza, ovvero minore coefficiente di scambio e quindi maggiore sporcamento, in quanto viene meno l’effetto di trascinamento da parte del flusso, nei confronti delle particelle
  • cattiva distribuzione del fluido, che passa per canali preferenziali, scambiando il calore in modo inefficiente

Piastre sporche per bassa velocità

Quando si riscontrano queste implicazioni, la prima prova che conviene effettuare è diminuire drasticamente il numero di piastre, compatibilmente con le caratteristiche della pompa e dei fluidi. Si dovrebbero vedere immediatamente i benefici.

Piastre sporche per bassa velocità

Vorrei in ogni caso aggiungere, che è molto importante riuscire ad avere tutti i dati relativi ai fluidi, portate, pressioni e temperature, in modo da progettare correttamente lo scambiatore già dal principio…e ricordate che lo scambiatore a piastre si può sempre ampliare in un secondo tempo.

 

Free flow, scambiatori per fluidi sporchi.

Proseguendo sull’onda delle immagini, sotto trovate la tipica sezione e l’andamento dei canali interni di uno scambiatore free flow (a flusso libero), che viene utilizzato quando i fluidi in gioco sono particolarmente sporchi o vi è presenza di solidi in sospensione.

scambiatori a piastre free flow

Questa tipologia di scambiatori ha dei costi molto elevati se confrontati a quelli tradizionali, ma trova applicazione su processi particolari, tanto è vero che vengono realizzati solitamente solo per portate e potenzialità elevate, parliamo di connessioni da DN150  a salire.

Per le applicazioni di potenza termica contenuta, si utilizzano scambiatori cosiddetti “wide gap”, che hanno canali con punti di contatto, ma gap (passaggio idraulico fra le piastre) maggiore rispetto alle piastre tradizionali, 5/6 mm contro 2,5/3,5 mm.

Scambiatori a piastre, dimensioni dei canali

Le immagini spiegano meglio e più di tante parole, ce lo insegna in rete il successo di Instagram…ebbene qui sotto trovate una immagine dellla sezione di uno scambiatore di calore a piastre saldobrasato.

Rende l’idea?

Scambiatori a piastre, passaggio idraulico

Praticamente stiamo parlando di un passaggio idraulico di circa 2,3 mm.

Questo spiega in modo efficace anche l’elevatissimo coefficiente di scambio termico realizzabile con questo tipo di scambiatori, che consente anche l’incrocio delle temperature con differenze di temperatura molto piccole fra primario e secondario.

Recupero di energia da motori endotermici

In ambito cogenerativo, abbiamo fatto molte applicazioni e solitamente si recupera energia termica da i fumi e dalle camice dei motori, in quanto sono gli elementi che mettono a disposizione l’energia ad un livello di temperatura elevato, quindi più facilmente utilizzabile.

scambiatori a piastre, intercooler, cogenerazione

Quando l’utenza che riceve il recupero di energia, rende l’acqua a temperature basse, per motivi di processo, diventa interessante recuperare energia anche dell’intercooler, che su parecchi motori è uno scambiatore che raffredda direttamente l’aria di sovralimentazione. Lo scambiatore è solitamente molto speciale ed è a fascio tubiero, anche perchè un aumento di temperatura di questo circuito del motore, provoca un immediato “derating” della potenza ottenibile.

intercooler