Tutti gli impianti di cogenerazione e power generation necessitano di sistemi di dissipazione del calore d’emergenza, in quanto se il calore generato non viene utilizzato e nemmeno recuperato (ad esempio in periodi in cui il recupero di calore non è richiesto o viene meno la richiesta di acqua calda), è necessario poter fare affidamento su di un sistema di smaltimento e dissipazione alternativo, che mantenga la temperatura di lavoro del motore e gli equilibri termici su valori ottimali per assicurare il corretto funzionamento dell’impianto di generazione, evitando malfunzionamenti e danni al motore e ai macchinari a causa del surriscaldamento degli equipaggiamenti. In genere infatti la produzione di energia elettrica è prioritaria alla produzione di calore, questo sempre nella power generation ma anche in impianti di cogenerazione, e pertanto è sempre necessario dotare il sistema di circuiti di dissipazione d’emergenza.

In un impianto di power generation, che si applichino poi sistemi di recupero e sfruttamento termico per la cogenerazione o meno, si ha la produzione di grandi quantità di calore: la fonte di energia primaria nel gruppo elettrogeno trasforma solo una piccola percentuale di potenza in elettricità, tra il 40 e il 45%, mentre il resto viene perso il calore. Calore che può essere prelevato e recuperato dai fumi di scarico, dall’acqua di raffreddamento del motore e dell’olio idraulico, e dall’eventuale sistema di raffreddamento dell’aftercooler. Le camicie del motore possono arrivare a temperature di circa 90 gradi, per cui l’acqua di raffreddamento raggiunge discrete temperature, ma comunque inferiori ai 90 gradi centigradi, così come anche i valori di recupero sull’olio motore variano a seconda della grandezza del gen set. I fumi di combustione raggiungono invece temperature estremamente elevate, superiori ai 400 gradi centigradi, pertanto sono qui in gioco ingenti quantità di calore, e nel caso non vengano riutilizzate occorrono sistemi di dissipazione d’emergenza ben studiati.

Per gestire le diverse fonti di calore e i carichi termici, è possibile equipaggiare il sistema di differenti soluzioni di termoregolazione e macchine termiche. Un sistema di dissipazione di emergenza è fondamentale anche nel caso di un sistema di cogenerazione, in cui il calore viene in genere recuperato e riciclato per altri usi che ottimizzano la resa del combustibile primario: nel caso infatti il sistema di riutilizzo del calore di recupero non sia funzionante, laddove non sia necessario e il sistema che lo riutilizza venga escluso o disattivato, occorrerà infatti un sistema d’emergenza che entri in funzione per disperdere il calore in eccesso, ad esempio con radiatori e by-pass dei fumi.

Il recupero di calore in un impianto di generazione è generalmente ottenuto attraverso un circuito di raffreddamento del motore e dell’olio idraulico lubrificante, e con scambio termico con i fumi di scarico che avviene di solito con uno scambiatore a fascio tubiero. Il gruppo di dissipazione d’emergenza può pertanto essere realizzato con l’impiego di diversi sistemi di termoregolazione e macchine termiche, quali Torri evaporative, Scambiatori di calore acqua/acqua e radiatori e free cooler per il raffreddamento dell’acqua a raffreddamento del circuito primario del motore e dell’intercooler.

Il sistema di dissipazione termico d’emergenza va disegnato tenendo in considerazione, oltre ovviamente ai carichi termici di lavoro da gestire, la collocazione geografica del sito industriale. A seconda infatti della temperatura dell’aria esterna, e quindi non solo della latitudine a cui si trova l’impianto ma anche delle medie stagionali in cui esso funziona, e della disponibilità di acqua fredda per alimentare il circuito idraulico di scambio termico, saranno infatti preferibili Torri evaporative, che assicurano la dispersione del calore prelevato dall’acqua di raffreddamento per contatto con l’aria, o in alternativa elettroradiatori o scambiatori di calore a piastre acqua/acqua che asportino il calore in eccesso e inutilizzato prelevato dalla stessa acqua di raffreddamento dei macchinari e del fluido lubrificante.

Un Free Cooler è un termoregolatore industriale che affida all’aria ambientale esterna il compito di raffreddare fluidi riscaldati nel corso dei processi produttivi industriali. Si tratta di scambiatori di calore e di dissipatori a circolo forzato d’aria, con ventilatori che immettono l’aria esterna nel circuito per la termoregolazione del fluido da raffreddare, e la loro progettazione dipende in maniera stretta dal tipo di liquido da raffreddare, dalla sua temperatura in entrata al free cooler, dalla temperatura media dell’aria ambientale, dalla capacità, dalla temperatura del liquido in uscita dal sistema e dalla massima perdita di carico consentita. Questo genere di sistemi di raffreddamento ha una grande varietà di applicazioni in diversi campi, come:

Power Generation
Cogenerazione
Compressori per aria compressa
Motori endotermici
Dissipatori remoti
Elettroradiatori per gruppi d’emergenza
Raffreddatori in circuito chiuso
Dissipatori termici per Gen Set

Dipendendo dall’aria in esterno all’impianto, le prestazioni di un free cooler sono strettamente legate alle condizioni climatiche e a fattori geografici, e soprattutto questo genere di sistemi di raffreddamento può perdere in resa a causa di variazioni stagionali nella temperatura dell’aria esterna. Esiste però un metodo semplice e intelligente che consente di aumentare la resa dei free cooler, estendendo con successo il loro impiego anche a mesi dalle temperature che altrimenti ne comprometterebbero il funzionamento ottimale, permettendo così di continuare a usarli sia in estate che in inverno. Infatti, per ottenere la massima efficienza da un free cooler, è bene che la temperatura esterna sia la più bassa possibile, in modo che l’aria in aspirazione possa lavorare con successo nel ciclo di raffreddamento del termoregolatore industriale.

I sistemi T Fin IDry Cooler di Tempco sono moduli che vaporizzano acqua per abbassare la temperatura d’ambiente in entrata, umidificandola con un sistema di spray di particelle d’acqua. Il processo di evaporazione di queste particelle d’acqua spruzzata sottrae calore dall’aria, abbassandone la temperatura, in modo che essa possa venire normalmente impiegata nel ciclo di termoregolazione eseguito dal sistema di free cooling. Si tratta di un potenziatore termico che può incrementare in maniera semplice l’efficienza di un free cooler, impiegando lo stesso principio che sta alla base delle Torri Evaporative, ovvero il processo di evaporazione, assommando i vantaggi di questo genere di soluzioni di termoregolazione a quelli di un dissipatore.

Aggiungendo un modulo nebulizzatore di acqua come potenziatore termico a un free cooler, il sistema aerorefrigerante prende infatti tutti i vantaggi sia dei dissipatori che delle torri evaporative:

Un Dry Cooler garantisce

Fluidi in circuito chiuso
Nessuno sporcamento
Nessun trattamento chimico
Bassi costi di esercizio

In aggiunta, un sistema a spray d’acqua che sfrutta l’evaporazione per abbassare la temperatura dell’aria in entrata, aggiunge i vantaggi di una torre evaporativa

Raffreddamento spinto
Basso impiego energetico
Temperatura del fluido inferiore a quella d’ambiente

L’aria viene infatti raffreddata dall’evaporazione dell’acqua, e in tal modo questo sistema di potenziamento termico in un termoregolatore industriale dipende dalla temperatura dell’aria in origine e dalla sua umidità, lavorando sulla temperatura di bulbo umido e sul calore latente di evaporazione.

Il calore latente di evaporazione è la quantità di calore che viene sottratta all’aria per consentire l’evaporazione dell’acqua, mentre la temperatura di bulbo umido è la temperatura più bassa che può essere raggiunta tramite evaporazione di sola acqua.

Il tasso di evaporazione è in funzione diretta delle condizioni esterne dell’aria, ossia del suo contenuto di calore originario, chiamato anche temperatura di bulbo secco, e della sua saturazione di vapore, chiamata umidità relativa, o dew point (punto di rugiada). La temperatura di bulbo umido è dunque una funzione dell’umidità e della temperatura dell’aria esterna, e indica la quantità di vapore acqueo che l’atmosfera può assorbire, in certe condizioni meteorologiche.

Ovviamente, la temperatura di bulbo umido è più alta in estate, quando l’umidità dell’aria cresce, e a seconda dell’area geografica nella quale il sistema di free cooling lavora, la resa dell’impianto può subire forti variazioni al variare delle condizioni meteo e dei valori della temperatura del bulbo umido. Tempco offre strumenti di misurazione completi per calcolare la temperatura di bulbo umido, al fine di studiare la soluzione di free cooling ideale per l’area e le condizioni climatiche in cui l’impianto industriale si trova. La temperatura di bulbo umido si calcola partendo dalla temperatura di bulbo secco e dal dew point (si sottrae il dew point dalla temperatura di bulbo secco, e si divide poi per tre, quindi si sottrae il risultato dalla temperatura di bulbo umido). Nel sito di Tempco è disponibile uno strumento di calcolo della temperatura di bulbo umido, a partire da temperatura e umidità.

I sistemi T Fin IDry di Tempco sono facili da installare, e possono essere aggiunti a un pre-esistente free cooler come un semplice modulo retro-fit, per migliorare il processo di raffreddamento. Il sistema di potenziamento a spray d’acqua può inoltre essere escluso alla fine della stagione calda, in modo tale che può essere usato esclusivamente quando le condizioni meteorologiche lo richiedono, senza andare a inficiare altrimenti il ciclo termico della soluzione di raffreddamento. L’acqua che alimenta il sistema di spray deve ovviamente essere pulita e opportunamente trattata, in maniera tale che non lasci depositi sui componenti del sistema, danneggiando il dissipatore. Inoltre, sarà opportuno assicurarsi che nulla ostacoli il percorso esterno dell’aria, accorciandone il flusso, ad esempio muri od altro. Il Service di Tempco si occupa dello studio completo per il potenziamento di un impianto di free cooling, per consentire alle industrie di impiegarlo in qualsiasi condizione climatica e di temperatura, al fine di ottenere sempre il massimo da un termoregolatore industriale, con processi industriali sempre alla massima resa. Il Service Tempco si occupa anche del corretto trattamento dell’acqua.

Per altre informazioni sull’implementazione di un sistema per incrementare la resa di un free cooler, visitate il nostro sito http://www.tempco.it/index.asp.

E’ innegabile che i dissipatori quando vengono utilizzati nelle applicazioni di free cooling, portino vantaggi indiscutibili:

• basso consumo energetico
• raffreddamento efficiente
• risparmio economico

Vi sono dei limiti che ne rendono meno efficace l’impiego, legati alle condizioni ambientali che rendono alcuni limiti difficilmente valicabili e spesso pregiudicandone l’applicazione.

Esiste però un sistema, che ne rende conveniente l’utilizzo, ampliandone peraltro il range di utilizzo ed allungando la “stagione di utilizzo”.

Si tratta in pratica di un sistema mutuato dalle buone vecchie torri evaporative, che sfrutta cioè il calore latente di evaporazione, ma soprattutto che si basa non tanto sulla temperatura ambiente (ovvero quella rilevata al bulbo secco), ma sulla temperatura del bulbo umido. Tale temperatura dipende dall’umidità relativa dell’aria e soprattutto è sempre inferiore in modo importante rispetto alla temperatura di bulbo secco appunto.

In pratica si tratta di “umidificare” l’aria in aspirazione al dry cooler, in modo da abbattere artificiosamente la temperatura dell’aria stessa.

Esistono diversi modi più o meno sofisticati per ottenere questo effetto, ma tutti sono abbastanza equivalenti.

Il vantaggio offerto da questi sistemi è dovuto al fatto che passato il periodo più caldo e quindi di maggiore criticità, si possono escludere, azzerando di fatto il consumo di acqua.

E’ importante sottolineare che l’acqua di alimento a questi sistemi di spray, di qualsiasi tipo essi siano, deve essere un’acqua “buona”, nel senso che deve essere adeguatamente trattata, allo scopo di scongiurare danni ed incrostazioni al pacco di scambio del radiatore/dissipatore.

Viste le diverse richieste che ci sono arrivate, ho pensato di inserire qualche spunto ulteriore.

Il sistema di controllo della velocità di tipo EC nei ventilatori, è molto simile ad un inverter,.

Nelle macchine rotative, quali ventilatori e pompe, al variare del numero di giri si hanno i seguenti effetti:

Il controllo di tipo EC al diminuire della velocità di rotazione, fa diminuire la potenza assorbita.

Di conseguenza su macchine come i free cooler, le torri evaporative, oppure ancora meglio i chiller condensati ad aria, un controllo di tipo EC, consente importanti risparmi energetici.

Questo tipo in applicazione, trova interessanti impieghi proprio negli impianti industriali o nei sistemi di cogenerazione a biogas, dove sono due i fattori determinanti:

• funzionamento continuo
• energia risparmiata

Un funzionamento continuo per tutto l’arco dell’anno giustifica ed ammortizza il costo di ventilatori a controllo elettronico in tempi rapidi, l’energia risparmiata, ha una incidenza diretta sulla bolletta, ma negli impianti di produzione di energia, sul fatto che ogni KW risparmiato, può essere rivenduto al gestore.

Dipende come sempre dal livello termico che devo raggiungere:

1. temperature inferiori ai 25°C -> chiller
2. temperature superiori ai 25°C ma inferiori ai 35°C -> torri evaporative
3. temperature superiori ai 35°C -> dry cooler

con le debite eccezioni e valutazioni ambientali per i punti 2 e 3.

Per tutte queste soluzioni indubbiamente esistono pro e contro che più volte ho preso in considerazione.

Tutte queste soluzioni, hanno un punto di comune, la parte ventilante, che inevitabilmente produce un determinato livello sonoro.

D’altro canto come spiegato in altri articoli, il livello sonoro è sicuramente controllabile, previo un progetto iniziale che tenga in debito conto i limiti imposti dalle zone di installlazione.

Per quanto riguarda i dry-cooler, che vengono sempre più spesso impiegati per ottenere freddo a basso costo, si stanno imponendo nuove soluzioni, legate a gruppi di ventilazione particolarmente silenziosi, che ne permettono la perfetta integrazione nei contesti urbani, abbinata a motori in versione EC (elecntronic commutated) a rotore esterno, che consentono risparmi energetici importanti.

I motori a commutazione elettronica (EC) sono gestiti con appositi controller EC. La perfetta armonizzazione del sistema consente una regolazione della velocità molto precisa con un‘efficienza energetica elevatissima, senza rumori elettromagnetici.

I controller EC sono disponibili in vari modelli: per reti a corrente alternata o trifase, per l‘installazione in armadi elettrici, semplici regolatori di velocità o dispositivi con funzionalità di regolazione integrate, p.es. per temperatura, pressione, velocità dell‘aria.

Molte volte ho sottolineato l’importanza di addittivare con antigelo il fluido circolante, per evitare il gelo e quindi rotture disastrose.

Tutti siamo daccordo che un sistema di free cooling installato in zone fresche rende di più e fa risparmiare maggiore energia, per via dei tempi prolungati di utilizzo, mantenendo in stand by i più costosi ed energivori chillers.

E’ importante però tenere presente in fase di progettazione, il luogo di installazione, non solo per la valutazione corretta della temperatura ambientale di progetto, ma anche per tenere in considerazione il possibile “derating” del free cooler, causato dalla diminuita densità dell’aria.

A questo scopo, allego di seguito una semplice tabellina, che permette di tenere in considerazione un fattore di correzione, legato alla altitudine di installazione, rispetto al livello sul mare.

Classica domanda che viene posta in questo inverno particolarmente “ghiacciato”, dove abbiamo sostituito e riparato diversi scambiatori aria/acqua, rotti per mancanza di antigelo.

La risposta come sempre non è univoca e fondamentalmente dipende dal tipo di rottura.

Mi spiego brevemente:

in caso di rottura del pacco di scambio, si vede immediatamente una perdita di acqua, solitamente copiosa.

La prima cosa da analizzare è localizzare la zona di rottura:

• rottura nel mezzo del pacco di scambio
• rottura nella zona delle curvette

Nel primo caso, il 90% delle volte la rottura è talmente estesa, che una riparazione, oltre ad essere economicamente non conveniente, rischia di tradursi in una perdita di tempo, in quanto non risolutiva. Una tale riparazione implica inoltre una perdita di efficienza dello scambiatore non accettabile.

Nel secondo caso, bisogna valutare l’entità della rottura. Se si sono rotte poche curvette, quindi dovremo eliminare dal circuito solo qualche tubo, la riparazione può essere conveniente. Se invece avremo un numero di curvette rotte elevato, bisogna mettere sul piatto della bilancia, dei costi di riparazione più elevati, in quanto non sarebbe accettabile la perdita di efficienza dello scambiatore, e sostituire le curvette, diventa un lavoro molto costoso.

Sempre analizzando il secondo caso, bisogna capire se la rottura si limita alle curcette esterne o si estende all’interno del pacco. In questo caso l’intervento è più delicato in quanto si dovrà sacrificare parte del pacco alettato, alla ricerca del punto di rottura per poterlo riparare.

Devo essere onesto, la maggior parte delle volte, una sostituzione del pacco di scambio è preferibile ed economicamente più conveniente, considerando il fatto che comunque la parte ventilante viene riutilizzata.

]]> http://www.tempcoblog.it/2166/riparare-gli-scambiatori-di-calore/feed/ 0 T FIN elettroradiatore rotto per gelo http://www.tempcoblog.it/2058/lungo-lunghissimo-inverno/ http://www.tempcoblog.it/2058/lungo-lunghissimo-inverno/#comments Tue, 02 Feb 2010 21:09:50 +0000 Valter Biolchi http://www.tempcoblog.it/?p=2058 Non pensiate che mi metta a fare le previsioni meteo.

Oggi all’ennesima telefonata relativa ad uno scambiatore rotto per il gelo, causa mancanza di antigelo e/o drenaggio preventivo, mi sono detto e ripetuto che quest’anno fa veramente freddo. Sta cogliendo tutti alla sprovvista, anche a quelle latitudini, dove l’antigelo era una parola per la settimana enigmistica.

Nient’altro che un ulteriore richiamo, attenzione alle apparecchiature lasciate all’esterno. Basta veramente poca acqua all’interno per provocare danni ingenti, costosi da riparare se non a volte irreparabili.

Un amico scherzando mi ha dato del dilettante, noi ripariamo o cambiamo gli scambiatori o i radiatori, loro stanno cambiando motori di gruppi di emergenza interi…

tipica rottura da ghiaccio di tubazioni di uno scambiatore a pacco alettato per free cooling

L’aria compressa viene “prodotta” da compressori che possono avere taglie e dimensioni molto differenti, si passa dal semplice compressorino per l’officina, a centrali di compressione molto potenti e complesse.

In ogni caso queste macchine necessitano di un sistema di raffreddamento dedicato, che sulle macchine più piccole è insstallato direttamente a bordo del compressore stesso (o addirittura il compressore stesso si autoraffredda con l’aria ambiente circostante), mentre sugli impianti di maggiori dimensioni si tratta di un impianto dedicato, che fornisce acqua raffreddata, che viene poi fatta circolare nei compressori stessi.

Il livello di freddo richiesto dai compressori per aria, non è mai troppo spinto, solitamente infatti le temperature richieste per l’acqua di raffreddamento si aggirano solitamente attorno ai +30 / +40°C.

Questo tipo di raffreddamento può quindi essere effettuato con l’utilizzo di:

• torri evaporative
• raffreddatori evaporativi a circuito chiuso
• dissipatori (dry cooler)

La scelta di un sistema o di un altro, è legata ad alcuni fattori determinanti:

• presenza  a bordo del compressore di scambiatori di interfaccia
• condizioni climatiche della zona di installazione

Infatti a seconda che il compressore sia fornito o meno di scambiatori a bordo, il raffreddamento potrà essere realizzato con una torre o con un raffreddatore a crcuito chiuso, questo perchè far circolare l’acqua di torre direttamente nelle camicie del compressore, con il rischio di sporcamento ed intasamento delle stesse, potrebbe causare dei danni irreparabili al compressore stesso e comunque comportare dei costi di manutenzione molto elevati.

Va ricordato che nonostante i compressori non richiedano acqua di raffreddamento a temperature molto basse, raggiungono nelle “zone calde” temperature elevate. Le temperature di parete elevate, provocano una precipitazione di carbonati, che utilizzando acqua non trattata o incrostante, causa un intasamento repentino delle camere di circolazione dell’acqua stessa.

Con temperature ambientali che ne consentano l’utilizzo, è sicuramente consigliato installare dei dry-cooler o dissipatori, in modo da avere un circuito chiuso senza contaminazioni dell’acqua.

Sempre più spesso, i gruppi elettrogeni di emergenza ed i gruppi di cogenerazione a motori endotermici, vengono utilizzati in applicazioni civili, dove il problema del rumore è importante, quindi queste apparecchiature vengono installate in scantinati o comunque in luoghi chiusi ed insonorizzati. A questo punto si rende necessaria l’installazione di dissipatori (radiatori), remoti, o comunque esterni, che devono rispettare livelli di rumorosità molto bassi.

Questi dry cooler vengono solitamente realizzati con ventilatori che lavorano in aspirazione, ma talvolta si rende necessario installare i ventilatori in versione premente, vediamo le motivazioni, i vantaggi e gli svantaggi delle diverse solutioni.

I ventilatori in posizione premente si rendono necessari, quando le condizioni operative sono al limite soprattutto a livello di temperature ambientali, infatti in questa posizione, il motore del ventilatore lavorerà sempre con l’aria a temperatura ambiente, non riscaldata quindi dalla massa radiante.

I ventilatori aspiranti invece ricevono il flusso di aria riscaldata, quindi in taluni casi la temperatura degli avvolgimenti supererebbe la classe di isolamento, mandandoli in avaria rapidamente.

Dal punto di vista aeraulico, la soluzione a ventilatori aspiranti, offre il vantaggio di una migliore distribuzione dell’aria che invete la massa radiante, infatti il plenum sottostante la virola del ventilatore, consente una più efficace ripartizione del flusso di aria su tutto il radiatore, migliorandone l’efficienza.

Con i ventilatori prementi, si corre il rischio di veder lavorare solamente la parte circolare della massa radiante direttamente investita dal flusso di aria.

Dal punto di vista dell’installazione, i radiatori a ventilatori prementi, obbligano ad installare una rete di protezione su tutta la massa radiante, allo scopo di proteggerla da intemperie o accidentali urti. Nel caso dei ventilatori aspiranti, la carpenteria di supporto e la virola del ventilatore, proteggono la parte delicata del radiatore stesso.

In definitiva personalmente preferisco la soluzione a ventole aspiranti, anche se in certi casi non posso fare a meno di adottare la soluzione premente.