E’ anche assodato, che parecchie macchine operatrici (se non tutte in varie forme e modalità), durante i cicli di trasformazione del lavoro elaborato, producono quantità di calore più o meno importanti. Proviamo a pensare ai motori endotermici, oppure alle centrali idrauliche o ancora ai compressori di aria.

In tutte queste macchine, il lavoro meccanico che serve per ottenere un risultato finale, forza motrice, pressione idraulica, aria compressa…generano anche una quantità di calore, che va dissipata, per evitare che le temperature degli organi meccanici, raggiungano livelli che ne compromettano l’utilizzo.

Tutta queste macchine infine, sono dotate di scambiatori di calore, che hanno lo scopo di raffreddarle, per consentire di lavorare alle corrette temperature.

Questi cascami di calore, che potremmo definire come energia di terzo o quarto livello, possono essere sicuramente recuperati.

Sicuramente non è sempre economico, infatti molto spesso il calore in eccesso viene semplicemente dissipato, trasferendolo ad un altro fluido, aria, acqua, olio.

Esistono però dei sistemi preassemblati, che consentono di recuperare questa energia, trasformandola in acqua calda, che può essere utilizzata per diversi scopi:

• riscaldamento
• acqua calda sanitaria
• preriscaldamento di processo produttivi

Questi sistemi sono in pratica delle apparecchiature che comprendono degli scambiatori di calore, opportunamente dimensionati, completi di sistemi di regolazione, sensori di temperatura, tubazioni di collegamento, il tutto racchiuso in una struttura di supporto, pronti per essere connessi al sistema dal quale effettuare il recupero termico.

Nel caso non vi sia necessità di recuperare il calore in eccesso, quest’ultimo verrà dissipato opportunamente, mentre il fluido di recupero verrà bypassato senza essere utilizzato.

Si tratta di sistemi semplici ed autonomi, di facile installazione, con costi di manutenzione molto contenuti.

Sono dei moduli termici conosciuti come T-ENEPAC, che vengono realizzati secondo una gamma standard, ma che possono essere personalizzati in funzione delle macchine termiche che devono asservire.

Risparmiare energia con i data center in mezzo ai fiordi.

Vista l’applicazione si propenderà per degli ispezionabili, in quanto anche se filtrata l’acqua proveniente da fonti naturali, può sempre contenere impurezze o comunque essere incrostante.

1. ci potete comunicare la potenzialità dello scambiatore di calore che mi hanno installato sull’impianto?
2. ho uno scambiatore da 500 KW, ma non riesco a raffreddare…è asservito ad una torre evaporativa (macchina termica) da 400 KW, come mai non funziona?

Per un addetto ai lavori, suonano già anomale, ma vale la pena dare qualche spiegazione in più.

La potenzialità di uno scambiatore, non è un dato definito ed intrinseco dell’apparecchio…dipende.

1. Dipende dalle condizioni operative alle quali viene utilizzato.

Lo stesso scambiatore può essere utilizzato con un basso DTM (delta ti medio logaritmico), per scambiare una potenzialità limitata, ma con un incrocio spinto di temperature, quindi magari trasferendo un valore di potenza assoluto basso, ma dimensionato per un servizio molto spinto dal punto di vista termico.

esempio (i dati sono ipotetici e basati su un dimensionamento di uno scambiatore di calore a piastre per esemplificare):

circuito di separazione termica.

potenzialità 60 KW

portata acqua utenze 10.000 lt/h

primario acqua di chiller IN 7°C / OUT 12°C

secondario acqua utenze IN 14°C / OUT 9°C

scambiatore risultante circa 8 m2

Ora prendiamo il medesimo apparecchio, in condizioni totalmente differenti, generazione di acqua calda con vapore, ebbene trasferirà una quantità di energia notevolmente più elevata.

esempio:

produzione acqua calda con vapore

primario vapore 4 barg 143°C

secondario acqua utenze IN 60°C / OUT 90°C

scambiatore da 8 m2

potenza termica trasferita 350 KW (ma basterebbero 5 m2)

con lo scambiatore da 8 m2 arriviamo a trasferire anche 800 KW.

Da questo semplice esempio risulta spero più chiaro quello che scrivevo inizialmente.

2. Dipende dalla potenzialità dell’apparecchiatura (chiller, caldaia, centralina, torre evaporativa, ecc…) alla quale è collegato e/o asservito.

Per farla semplice e breve, uno scambiatore non può “generare” energia, non può “produrre” calore o freddo, può semplicemente trasferirlo, da un fluido ad un altro, ma questa energia al fluido deve essere fornita a monte.

Quindi per finire, possiamo dire che uno scambiatore da 1000 KW, asservito ad una caldaia da 500 KW, funzionerà, scambierà, trasferirà “solo” 500 KW.

Nello specifico, stanno sempre più prendendo piede soluzioni ce prevedono l’integrazione su skid dei vari componenti, dedicati al raffreddamento/condizionamento termico di un impianto di produzione industriale.

Una di queste ultime soluzioni, prevede l’integrazione di:

• torre evaporativa
• scambiatore di calore a piastre
• gruppo di pompaggio acqua in ricircolo sulle torri
• gruppo di mandata acqua fredda agli impianti

il tutto completato da una serie di accessori quali:

• sistema di dosaggio degli addittivi chimici di condizionamento dell’acqua
• tracciatura delle tubazioni
• coibentazione
• quadro di comando di potenza
• gestione software tramite morsettiere intelligenti della logica di funzionamento
• sistema di risparmio energetico con inverter sui ventilatori
• motori elettrici in efficienza

il tutto ridondato e messo in sicurezza con intervento di stand by automatici gestiti da remoto dal plc del cliente.

Il principio di funzionamento degli scambiatori si basa su questa propensione all’uniformità delle temperature. Negli scambiatori di calore a piastre, il calore attraversa facilmente le sottili superfici di scambio, che separano il fluido caldo da quello freddo. Questo permette di riscaldare e/o raffreddare un liquido o un gas con un minimo consumo di energia. La differenza di temperature costituisce la forza motrice degli scambiatori. Lo scambio termico tra un liquido ed un altro si basa sulle seguenti regole fondamentali:

• il calore si propaga sempre dal fluido caldo a quello freddo
• è indispensabile una differenza di temperatura tra i fluidi
• il calore, sviluppato dal fluido caldo è equilibrato dal calore assorbito dal fluido freddo, fatta correzione del calore sviluppato o assorbito, per dispersione, dall’ambiente.

La trasmissione di calore

Gli scambiatori di calore sono degli apparecchi statici che trasmettono in continuazione calore da un fluido ad un altro, senza alcun apporto d’energia durante il processo. Essenzialmente si possono suddividere in due categorie:

• Scambiatori diretti: dove i fluidi coinvolti nello scambio termico vengono prima portati a contatto e poi separati; ciò presuppone che i due fluidi siano immiscibili. Un esempio è rappresentato dalle torri di raffreddamento, dove l’acqua è raffreddata per mezzo del contatto diretto con l’aria.
• Scambiatori indiretti: o a superficie, in questo caso i fluidi sono separati da una parete, attraverso la quale avviene lo scambio termico.

Il calore si propaga attraverso il corpo in tre modi:

• Per radiazione: l’energia si trasmette per radiazione elettromagnetica. E’ il caso, per esempio, del riscaldamento della terra da parte del sole.
  • Per conduttività : l’energia si trasmette fra i corpi solidi oppure liquidi immobili per propagazione di energia vibratoria degli atomi o delle molecole.
  • Per convezione: l’energia si trasmette miscelando una parte di un fluido con un’altra. Bisogna distinguere:

à  la convezione naturale, dove il movimento di un fluido dipende totalmente dalle differenze di densità, che a loro volta dipendono dalle differenze di temperatura.

à  la convenzione indotta, dove il movimento del fluido è il risultato (totale o parziale) di un’influenza esterna, come la turbolenza, che si crea in un liquido quando viene pompato.

I parametri di calcolo
Gli scambiatori di calore a piastre saldobrasati della TEMPCO, sono degli scambiatori del tipo indiretto, dove quindi il calore è trasferito per conduzione (attraverso la parete) e per convezione (dal fluido verso e dalla parete). Generalmente per le applicazioni di questo tipo di scambiatori, lo scambio termico per irraggiamento è insignificante. Esistono anche altri tipi di scambiatori di calore indiretti, quali: i fasci tubieri ed i coassiali, ma ormai nella maggior parte dei casi, i modelli più vantaggiosi sono gli scambiatori di calore a piastre saldobrasati. Per risolvere un problema termico bisogna conoscere alcuni parametri fondamentali, mentre altri possono essere calcolati con l’aiuto di questi ultimi. I dati essenziali sono:

• la natura dei fluidi (primario e secondario) = Calore specifico = C_sp
• il carico termico = Capacità termica = Q
• le masse dei due circuiti = Portata = M
• le temperature d’ingresso e d’uscita dei fluidi = Differenza

temperature = ΔT

• le perdite di carico massime ammesse
• la pressione e la temperatura massima di processo

In un sistema senza cambiamento di fase, il trasferimento di calore è dato dalla seguente equazione:

L’esercizio termico è determinato dalle temperature d’ ingresso e d’ uscita dei due fluidi che scorrono all’interno dello scambiatore.

T1 =            temperatura d’ingresso lato caldo

T2 =            temperatura d’uscita lato caldo

T3 =            temperatura d’ingresso lato freddo
T4 =            temperatura d’uscita lato freddo

Lunghezza termica (N. U. T.)

Si definisce nella pratica “lunghezza termica” o Numero di Unità Termiche, il rapporto tra la differenza di temperatura tra entrata e uscita di un fluido e la differenza media logaritmica tra le temperature dei due fluidi:

Ogni scambiatore di calore ha una Lunghezza Termica tipica, che dipende dalle sue caratteristiche costruttive. Più alto è questo valore, maggiore risulta la capacità di uno scambiatore di avvicinare la temperatura d’uscita del fluido secondario a quella in entrata del fluido primario. In uno scambiatore a piastre, la Lunghezza Termica è tanto più elevata quanto maggiore è il rapporto tra l’altezza della piastra e la sua larghezza. Altro importante fattore che modifica la proprietà specifica di un certo modello di piastra è la conformazione della superficie, cioè la geometria della sua corrugazione. In altre parole, per avere una buona efficienza non basta che la circuitazione sia in contro corrente, ma bisogna che il progetto costruttivo dello scambiatore di calore a piastre saldobrasato, tenga conto della esigenza che il fluido primario che scorre all’interno dei canali abbia il tempo sufficiente a scambiare calore, con il fluido secondario che circola nei canali adiacenti, al livello di temperatura desiderato. Naturalmente questo principio deve essere considerato in modo generico e in ogni caso, conciliabile con i valori di perdite di carico che ne conseguono.

Il principio di funzionamento degli scambiatori a piastre saldobrasati è molto semplice e si basa sulla differenza di temperatura tra i due fluidi che circolano al loro interno o meglio al principio dell’uniformità delle temperature che regola la cessione di calore da fluido più caldo a quello più freddo. Nei BPHE’s, il calore attraversa facilmente le sottili superfici di scambio rappresentate dalle piastre, che separano il fluido caldo da quello freddo. Questo permette di riscaldare o raffreddare un liquido o un gas con un minimo consumo d’energia. La differenza di temperature costituisce la forza motrice degli scambiatori. Grazie alle particolari corrugazioni delle piastre a spina di pesce >>>, è possibile ottenere: elevati coefficienti di scambio termico con piccole portate e/o basse perdite di carico con grandi portate. L’alta turbolenza e la superficie speculare delle piastre riducono il rischio dello sporcamento.

Chiudendo avevo accennato alla possibilità di valutare ulteriori sistemi per risparmiare energia analizzando i tempi di lavorazione di un determinato processo.

In sostanza si tratta di analizzare in modo ancora più puntuale la situazione di utilizzo dell’energia termica di riscaldamento o raffreddamento da parte del processo produttivo del cliente, infatti dobbiamo capire se nel processo produttivo del cliente vi siano dei tempi morti che consentano l’accumulo di energia termica, da sfruttare nei momenti di punta.

Faccio un esempio per esemplificare:

Impianto di trattamento termico per acciaio, funzionante su due turni durante il giorno, con fermata notturna.

E’ un tipico impianto dove già per sua natura dispone di un bacino di accumulo del fluido di raffreddamento, dal volume importante. Posso quindi pensare di utilizzare tale bacino, come volano termico, per accumulare fluido freddo (ovvero energia fredda), durante il periodo notturno di fermo impianto, sfruttando le condizioni ambientali favorevoli (temperatura ambientale più bassa).

In sostanza farò funzionare il mio sistema di raffreddamento durante il periodo notturno, portando la temperatura del bacino di raccolta al punto più basso raggiungibile, calcolando di conseguenza quanta energia termica ho a disposizione.

Definito questo valore, posso dimensionare la macchina termica sulla rimanente energia termica necessaria per soddisfare la produzione che si sviluppa nell’arco di due turni.

Qt1 (Kcal/h) = Q1 (Kcal/h) = Q2 (Kcal/h)

dove Qt1 è la potenzialità termica richiesta dal processo, data dalla capacità termica necessarie per ogni singolo turno di lavoro (Q1 e Q2).

Qtr (Kcal/h) = Qt1 (Kcal/h) – Qvt (Kcal/h)

dove Qtr sarà la potenza termica della nostra macchina (torre, scambiatore, chiller, dry cooler), sottraendo l’energia termica accumulabile nel bacino di raccolta.

inevitabilmente

Qtr (Kcal/h) < Qt1 (Kcal/h)

quindi minor costo di investimento e soprattutto minor energia elettrica assorbita.

• fluido di raffreddamento/riscaldamento
• livello di temperatura
• quantità di calore da asportare/apportare

Di questi tre elementi solitamente il più “complicato” da definire, se non lo si conosce a priori, è il terzo, relativo alla determinazione della potenzialità termica necessaria per somministrare il servizio adeguato al processo, come ho già spiegato in questo articolo.

In questo articolo vorrei soffermarmi su un aspetto altrettanto importante ai fini della determinazione del carico termico e quindi della progettazione della nostra macchina termica e/o impianto termico, come da titolo l’indice di contemporaneità.

Spesso infatti ci troviamo nella condizione per cui il nostro termoregolatore, scambiatore di calore, refrigeratore o torre evaporativa, debba servire più utenze che possono lavorare insieme o meno. L’insieme o meno viene riassunto dal termine indice di contemporaneità.

Risulta chiaro immediatamente che se dovremo dimensionare un gruppo frigorifero che asserve tre macchinari che lavorano contemporaneamente, su tre turni di lavoro, la potenzialità dello stesso, sarà data semplicemente dalla somma delle tre potenze termiche orarie da dissipare:

Qt (Kcal/h) = Q1 (Kcal/h) + Q2 (Kcal/h) + Q3 (Kcal/h)

Ben diverso sarebbe il caso nel quale questi tre macchinari dovessero lavorare ognuno in un turno diverso di lavoro. In tal caso infatti avremmo la capacità termica del refrigeratore uguale alla potenzialità di ogni singola utenza, ovvero un terzo rispetto al caso precedente, nonostante la potenza installata da parte del cliente sia la medesima.

Qt (Kcal/h) = Q1 (Kcal/h) = Q2 (Kcal/h) = Q3 (Kcal/h)

Analizzando questo semplice caso, risulta chiaro come sia necessaria una attenta analisi degli impianti del cliente, prima di procedere con il dimensionamento o il progetto.

L’indice di contemporaneità dei carichi termici, va poi integrato con una valutazione dei tempi morti e la possibilità di accumulare energia sotto forma di caldo o freddo, allo scopo di risparmiare energia ulteriore nella gestione degli impianti di raffreddamento o riscaldamento, ma sarà argomento di un prossimo articolo.

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.

Alcuni processi hanno assoluta necessità di sistemi di raffreddamento dedicati, per poter ottenere velocità di produzione e costanza di risultati.

Nello specifico, alcuni processi produttivi, hanno la necessità di avere diversi livelli di temperatura per le differenti “sezioni di lavorazione”, interessate al ciclo produttivo completo.

Per poter ottenere questi risultati, esistono sistemi integrati estremamente flessibili, configurati come segue:

• produzione di acqua refrigerata —> chiller
• accumulo di acqua refrigerata —> serbatoio di stoccaggio coibentato
• distribuzione acqua alle utenze a diverse temperature —> sistemi di regolazione composti da scambiatore a piastre e valvola modulante con regolatori elettronici
• produzione di acqua calda —> centralina di termoregolazione

questi sistemi se ben progettati ed integrati, permettono una gestione efficace ed ottimale del processo industriale.

A livello di controllo della temperatura, i vari termoregolatori elettronici, possono essere realizzati con configurazione ed impostazione del set point e dei parametri, da remoto tramite PLC.

Riprendendo le note finale dicevo che…

La manutenzione quindi deve essere

• regolare
• corretta
• tempestiva

Come fare e soprattutto quando fare manutenzione?

E’ una domanda che mi viene posta spesso ed onestamente è una risposta complicata, in quanto dipende da una serie di variabili legate a

• tipologia di impianto
• tipo di processo
• fluidi utilizzati
• tempi morti/tempi di lavoro

solo per citare i primi che mi vengono in mente, che sono molto variabili e difficili da definire a priori, soprattutto da chi ha esperienza diretta sul dimensionamento termico e non sul processo nello specifico.

Esiste però un sistema certo che consente di capire quando è il momento di intervenire.

Monitorare!!!

Ovvero dotare il proprio impianto/processo di quella strumentazione che permetta di verificare che si sta lavorando alle condizioni di progetto o alle condizioni iniziali, imponendo degli allarmi, che segnalino scostamenti sensibili da queste condizioni.

Perchè dico condizioni di progetto o iniziali? perchè a volte le condizioni di lavoro iniziali, non sono le condizioni di progetto, che magari prevedono ampliamenti futuri o margini di sicurezza.

E’ evidente che monitorare ha dei costi.

Come tutte le cose, va fatto in funzione del risultato che si deve ottenere e dell’ambito nel quale si opera.

Per farla breve e semplice possiamo dire:

impianto semplice, poco costoso, un paio di manometri e termometri consentono di capire al volo se la situazione è sotto controllo o bisogna cominciare a pensare ad una manutenzione.

impianto importante, costoso, strategico, un bel data logger, con sensori e ritrasmissione dei segnali/allarmi al PLC di gestione, magari con ritrasmissione via web della gestione, consente di personalizzare e monitorare al meglio tutto quanto

…nel mezzo c’è tutto quello che si desidera…