Solitamente questo compito è delegato a scambiatori ad aria, i classici elettroradiatori.

Sui piccoli motori il radiatore è solitamente montato a bordo, completo di ventilatore elettrico o azionato direttamente da una presa di forza sul motore.

Sui motori di maggiore potenza, tipicamente utilizzati per impianti di cogenerazione o produzione di energia elettrica di emergenza o in continuo, il radiatore viene installato a bordo oppure nella maggior parte dei casi in posizione più o meno remota, sopra il tetto del conteiner che contiene il gruppo di potenza o addirittura in copertura all’edificio.

I motori di piccola potenza, solitamente hanno un singolo circuito di raffreddamento, in quanto il circuito relativo all’after cooler (o charge cooler) viene raffreddato direttamente ad aria.

Nei motori di maggiore potenza vi è la necessità di garantire un ottimo raffreddamento del circuito “charge”, in quanto da questo dipende il grado di derating della potenza effettivamente diponibile all’asse, quindi della potenza elettrica generata.

In conseguenza di questo, solitamente lo scambiatore dedicato, viene alimentato ad acqua ed ha un radiatore dedicato.

Allo scopo di diminuire gli ingombri del sistema a livello di layout, si utilizzano elettroradiatori a doppio circuito (o doppio pacco), che consentono con una unica macchina di avere due scambiatori in serie lato aria, con due circuiti separati lato acqua.

Nel caso in cui l’elettroradiatore fosse installato in posizione remota, ad esempio sul tetto del building, il circuito si complica leggermente. Infatti i frame dei motori non possono reggere pressioni troppo elevate, quindi avendo il radiatore posto magari a distanze notevoli, che implicano di conseguenza la necessità di avere l’acqua a pressione elevata (5-6 bar), non è possibile lavorare direttamente con il circuito dei radiatori.

In questi casi si interpone uno scambiatore a piastre a doppio circuito, che viene asservito da un radiatore a singolo circuito.

Ovviamente questo caso sarà penalizzante, in quanto si dovrà avere un doppio salto di temperatura…considerando che gli after cooler devono lavorare con temperature piuttosto basse, bisognerà dimensionare il tutto con estrema attenzione ed in maniera adeguata, prendendo dei margini di sovradimensionamento corretti.

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.

La Cogenerazione ORC sta velocemente prendendo piede negli impianti industriali di risparmio energetico: la cogenerazione è una maniera assai efficiente per raccogliere e riutilizzare energia da correnti di calore di scarto prodotte nei processi industriali, ricavandone al contempo calore/freddo ed elettricità. Consentendo lo sfruttamento ottimale dell’energia termica prodotta dagli impianti industriali, la Cogenerazione ORC è particolarmente indicata per tutte le applicazioni industriali che prevedono ingenti emissioni di energia termica e nelle quali il consumo elettrico e i relativi costi hanno un impatto considerevole nei processi produttivi.

Le performance di questo genere di soluzioni dipendono strettamente da alcuni fattori:

• quantità del calore emessa
• temperatura della fonte di calore
• tipo di vettore termico
• fluido di lavoro

In un sistema di Cogenerazione ORC un flusso primario di calore di scarto, in forma di liquido caldo o di gas, viene impiegato per scaldare direttamente o indirettamente un altro liquido, generalmente chiamato Fluido di lavoro. Il fluido di lavoro è un fluido organico ad alto peso molecolare con un punto di evaporazione più basso di quello del vapore acqueo.
Da ciò deriva il nome di Ciclo Organico Rankine, che consente anche di sfruttare sorgenti a bassa temperatura, quali energia di combustione da biomasse e calore di scarto industriale, che possono così venire convertiti in lavoro utile ad attivare microturbine per la produzione di energia elettrica. Il tipo di fluido di lavoro è un fattore cruciale per l’ottimizzazione del ciclo termodinamico, e va scelto in dipendenza dalla temperatura della fonte primaria di calore di scarto.
Una volta che il fluido di lavoro è stato pre-riscaldato, viene trasformato in vapore, e i suoi vapori si espandono nella turbina, collegata a un generatore di elettricità. In questo modo il sistema di cogenerazione può convertire parte dell’energia termica in energia elettrica.

La Cogenerazione ORC usa scambiatori di calore a piastre, sistemi di termoregolazione che impiegano piastre metalliche per trasferire energia termica tra due fluidi in condizione di ampio differenziale di temperatura.

Gli Scambiatori di Calore della serie T PLATE B di Tempco aumentano in questo genere di applicazioni la quantità di calore scambiato tra i due fluidi, grazie all’ampia superficie di contatto delle piastre. Inoltre, la condensazione e l’evaporazione del liquido refrigerante usato nel ciclo cogenerativo, in genere R245Fa, può essere ottenuta con l’impiego di un fluido a temperatura medio-alta, un cascame di vapori esausti o acqua pressurizzata, come pure mediante acqua di torre evaporativa o direttamente con un dry cooler. In entrambe le soluzioni, è necessaria un’alta efficienza di scambio termico.

Scambiatori di calore a piastre saldobrasate sono in questo caso la soluzione più indicata negli impianti di cogenerazione ORC, potendo garantire:

• alta efficienza energetica
• minime perdite di carico
• resistenza alle pressioni elevate f.v. +50 bar
• resistenza alle alte temperature -200 up to +300 C
• impieghi in condizioni di “full vacuum”

Tutte queste caratteristiche sono assicurate dalla gamma di scambiatori a piastre saldobrasate Tempco T PLATE B, studiate per assicurare la massima efficienza nell’applicazione di scambiatori di calore in impianti di cogenerazione ORC funzionanti con tutti i diversi possibili fluidi, così come per impieghi in centraline idrauliche e in situazioni di scambio termico tra acqua e olio. L’assenza di guarnizioni riduce inoltre al minimo gli interventi di manutenzione, e il design compatto e leggero assicura una facile installazione, grazie anche alle diverse opzioni di assemblaggio, SAE e filettature maschio/femmina.
Tutti gli scambiatori di calore a piastre saldobrasate della serie Tempco T PLATE B sono certificate CE-PED, ASME U UM stamp, CSA, GOST R, KIWA, Lloyd’s Register, UDT, SVGW and CSI.

Materiali disponibili per le piastre:

• AISI 316
• AVESTA 254 SMO (solo alcune tipologie)

Materiali per la saldobrasatura:

• Rame
• Nickel

La dissipazione del calore residuo può essere poi ottenuta con diverse soluzioni, a seconda delle condizioni ambientali dell’impianto produttivo:

• torri evaporative
• condensatori a piastre saldobrasate
• condensatori evaporativi
• dry cooler
• free cooler
• scambiatori a piastre

I sistemi di Cogenerazione ORC che impiegano gli scambiatori di calore della gamma Tempco T PLATE B sono studiati per dare il massimo nella produzione di energia da flussi termici di scarto provenienti da impianti industriali, convertendoli in energie elettrica per impiego interno, fornendo in tal modo un ulteriore guadagno da quantità di energia che vengono in genere sprecate e aumentando l’efficienza energetica complessiva dei processi produttivi. Installare un sistema di cogenerazione ORC è anche un importante indicatore del livello di coscienza ambientale dell’azienda, e questo fa sì che un impianto di cogenerazione per la produzione di energia da flussi termici di scarto abbia molteplici benefici, sia in termini di ritorni economici e di risparmio energetico che in termini di immagine aziendale.

Tempco offre i migliori macchinari per applicazioni nell’ambito dell’energia termica, produzione di energia e cogenerazione e termoregolazione industriale, con una gamma completa di soluzioni mirate alle singole esigenze di risparmio e recupero energetico industriale. Tempco, soluzioni per il raffreddamento, il riscaldamento, la termoregolazione e lo scambio termico. Scambiatori di Calore T PLATE B, torri di raffreddamento, chillers, centraline di termoregolazione e una gamma completa di macchinari per la generazione di energia e la cogenerazione: unità di recupero termico, dissipatori di calore, centraline per il trattamento del biogas e sistemi di pre-riscaldamento fluidi. Visita il sito Tempco per saperne di più.

Nello specifico ho affrontato questo argomento, relativamente al successo che stanno conoscendo questo genere di impianti, nelle teglie più piccole.

La condensazione ed evaporazione del gas frigorigeno, tipicamente R245Fa, viene affidata da un lato ad un fluido a temperatura medio/alta, quale ad esempio un cascame di vapore esausto oppure ad acqua pressurizzato, dall’altro ad acqua di torre evaporativa, oppure direttamente tramite dry-cooler.

In entrambi i casi è richiesta una elevata efficienza termica di scambio, in quanto si lavora termicamente con DTML (Differenze di temperature media logaritmica), molto strette.

Queste considerazioni portano inevitabilmente a prendere in considerazione per questi impieghi scambiatori di calore a piastre.

Abbiamo quindi sviluppato una serie di applicazioni, che vedono impiegati questi scambiatori di calore, nelle loro taglie più grandi, con bocchelli DN100 e piastre di grande superficie, che devono avere ottime caratteristiche:

• elevata efficienza termica
• basse perdite di carico
• resistenza a pressioni elevate
• resistenza a temperatura
• impiego “full vacuum”.

tutte caratteristiche che si ritrovano presenti nella gamma di scambiatori sviluppata per la cogenerazione ed il recupero energetico.

Flashback…

Stiamo lavorando alacremente, per la realizzazione di una centralina di termoregolazione, estremamente speciale, che verrà utilizzata nell’ambito di un progetto di ricerca, legato al recupero di energia (cogenerazione), realizzato tramite pannelli solari e motori stirling.

In sostanza il progetto parte nell’alveo della Fondazione Bruno Kessler, dove un manipolo di giovani ricercatori, sta sviluppando e ricercando nuovi sistemi per produrre energia e calore (sempre di energia parliamo), da fonti rinnovabili.

Il progetto al momento è ben definito, ma sicuramente nelle prossime settimane, saprò essere più esaustivo in merito.

]]> http://www.tempcoblog.it/2743/cogenerazione-nuove-frontiere/feed/ 0 http://www.tempcoblog.it/2480/cogenerazione-e-biodiesel/ http://www.tempcoblog.it/2480/cogenerazione-e-biodiesel/#comments Thu, 30 Sep 2010 06:30:15 +0000 Valter Biolchi http://www.tempcoblog.it/?p=2480 Si stanno diffondendo in modo prepotente gli impianti di cogenerazione con motori endotermici, alimentati a biocarburante, tipicamente olio di palma (o similari).

Uno dei problemi tipici di questi impianti, ma più precisamente di questi combustibili è rappresentato dalle proprietà fisiche, che  ne determinano una viscosità ed una consistenza alle basse temperature, per certi versi problematica.

Parlando di problematica, intendo proprio dire che il combustibile non può essere utilizzato, in quanto già a 20°C si presenta in forma gelatinosa, quindi veicolabile con pompe volumetriche, ma sicuramente non gestibile dagli impianti di iniezione presenti sui motori. Per poterlo utilizzare bisogna arrivare ad almeno una temperatura di 40°C.

La soluzione a questo problema è di due tipi:

• doppia alimentazione, con partenza del motore a gasolio e switch ad olio di palma a motore caldo, riscaldando l’olio di palma stesso con acqua dei jacket
• preriscaldo elettrico dei serbatoi di stoccaggio del combustibile

Dai link sopracitati, potete vedere come ne abbia parlato già diffusamente in precedenza, ma mi vorrei soffermare sul fatto che ultimamente sono state studiate delle centraline di preriscaldamento per olio di palma, da installare on line sulle linee di alimentazione dei motori, centraline che permettono di semplificare notevolmente l’impiantistica, evitando tra l’altro di dover preriscaldare ad elevati livelli grossi stock di combustibile.

Queste centraline consentono di gestire il motore con alimentazione diretta ad olio di palma, infatti hanno un preriscaldamento rapido di tipo elettrico ed un secondo step di riscaldamento a scambiatore, con recupero del calore del motore, tramite spillamento di acqua calda dai jacket.

Sono già provviste di pompa di mandata dell’olio combustibile, sistema di regolazione della temperatura, sicurezze, ma soprattutto sono completamente autonome, con gestione automatica del tipo di riscaldamento, in funzione della temperatura di invio dell’olio combustibile al motore.

Si tratta di un recupero intelligente, infatti, come spesso ripeto, ci troviamo con un fluido a temperatura molto elevata, quindi anche se con portate basse (in massa), possiamo ottenere un ottimo recupero termico. Tutto questo con un “semplice” scambiatore a fascio tubiero.

Nonostante questo assunto che è importantissimo, bisogna tenere ben presenti altri fattori, sia in fase progettuale che esecutiva.

A livello di progettazione, bisogna stare molto attenti alle temperature ed alle sollecitazioni da esse indotte nelle apparecchiature interessate allo scambio termico.

A livello esecutivo, bisogna adottare tutta una serie di accorgimenti che permettano all’impianto di operare in sicurezza.

Ma in queste poche righe vorrei sottolineare gli aspetti operativi della gestione di un impianto simile.

Non bisogna infatti dimenticare altri due aspetti importanti:

• il tempo di lavoro
• la manutenzione.

Mi spiego meglio…un impianto di cogenerazione è fatto per operare in continuo, per tempi piuttosto lunghi, quindi bisogna mettere in preventivo dei controllo a cadenza programmate, che vengano fatti in modo attento e scrupoloso.

Infatti a queste temperature e con le relative condizioni di esercizio di un impianto di recupero fumi, un piccolo particolare tralasciato, può causare nel tempo, danni ingenti, che comportano spese importanti per poter essere ripristinati.

• vibrazioni
• dilatazioni
• serraggio bulloneria
• guarnizioni
• elementi di tenuta

sono solo alcuni dei particolari che vanno controllati e verificati costantemente.

Per semplificare faccio spesso questo esempio ai nostri clienti:

considerando un carico di lavoro di 8000 ore/anno, se l’impianto fosse una autovettura che marcia a 50 km/h, vorrebbe dire che ha percorso almeno 400.000 km.

Se si trattasse appunto di una autovettura, quanti tagliandi avrebbe già effettuato? e soprattutto starebbe ancora marciando?

• vapore
• gas
• idrauliche.

Si tratta ovviamente di macchine molto delicate e di elevato valore economico.

I supporti di queste turbine, sono realizzati con cuscinetti ad alta velocità, che ovviamente generano calore.

Il calore generato dai supporti viene smaltito tramite l’olio.

Cosa si utilizza per raffreddare questo olio?

Si utilizza acqua, tramite scambiatori di calore a piastre.

Si tratta di impianti che richiedono sempre una ridondanza del 100%, per assicurare che le turbine possano lavorare in continuo, anche in caso di avaria di un refrigerante (scambiatore di calore).

Vengono quindi realizzati degli skid (Tempco package unit TCPU), con due scambiatori, di cui uno in stand by al 100%, interlacciati con valvole deviatrici a tre vie, per un rapido intervento e switch dallo scambiatore che sta lavorando su quello in quel momento di scorta.

Partito qualche anno fa, su taglie di impianto consistenti, grazie allo sviluppo della tecnologia delle microturbine, si sta espandendo a macchia d’olio.

In sostanza si sfruttano le caratteristiche fisiche di fluidi organici particolari, utilizzando il calore esausto di cicli di lavorazione, per mettere in funzione delle micro turbine, che producono energia elettrica.

Tipicamente si tratta di turbine di piccole dimensioni con elevata efficienza, spesso prive di cuscinetti, o meglio con supporti magnetici.

Il “media” tipicamente utilizzato è di solito un fluido della Honeywell®, il Genetron R254Fa®.

Per la dissipazione del calore si possono utilizzare diversi metodi, relativamente alle condizioni ambientali relative al luogo di installazione dell’impianto:

• torre evaporativa abbinata a condensatore a piastre saldato
• condensatore evaporativo
• dry cooler/free cooler
• scambiatore a piastre

Attualmente abbiamo diverse applicazioni, con differenti soluzioni in marcia.

Si tratta di un impianto di cogenerazione con motori endotermici a gas, per il riscaldamento e la produzione di energia per un centro sportivo nelle vicinanze di Milano.

Il centro sportivo comprende una piscina con annessa palestra.

L’impianto di cogenerazione, asserve il centro sportivo ed i quartieri limitrofi. E’ composto da due motori endotermici e tre caldaie.

La distribuzione del calore, passa per due sottostazioni dotate di scambiatori di calore a piastre ispezionabili.

Dei misuratori di energia, contabilizzano i consumi energetici.

Il tutto è telecontrollato a distanza.

La batteria di elettroradiatori, viene utilizzata per la dissipazione del calore generato dai motori endotermici, nel caso non venga utilizzato per il teleriscaldamento o per le necessità di riscaldamento della piscina.

Un esempio di impianto efficiente ed efficace.

]]> http://www.tempcoblog.it/2302/cogenerazione-e-riscaldamento/feed/ 0 Elettroradiatori per impianto di cogenerazione gen set radiators for cogeneration plant