Le moderne macchine utensili per la lavorazione meccanica di precisione mediante asportazione di truciolo, necessitano di azionamenti idraulici, per le movimentazioni robotizzate, e di una lubrorefrigerazione mediante olio da taglio degli utensili, per due motivi:

• mantenimento delle tolleranze di lavorazione per un periodo determinato
• diminuzione dell’usura degli utensili di lavorazione

Entrambi questi sistemi generano calore, che deve essere dissipato, per poter mantenere costante il livello di precisione nelle lavorazioni.

Per un nostro importante cliente, che opera nel settore della meccanica di precisione, in quanto realizza macchinari di lavorazione ad elevata precisione e ripetitività, abbiamo realizzato un sistema di raffreddamento integrato ad elevata efficienza, che prevede l’impiego di una serie di apparecchiature, per garantire il corretto livello di temperatura, sia dell’olio idraulico che dell’olio da taglio.

Il sistema di avvale di un gruppo frigorifero centralizzato, condensato ad aria, quindi con un circuito perfettamente sigillato, senza consumo di acqua. Il gruppo frigorifero è completo di serbatoio di stoccaggio dell’acqua refrigerata, che funge da volano termico, in quanto le lavorazioni molto spesso sono cicliche.

Il chiller asserve una serie di scambiatori:

• Scambiatori di calore a piastre saldobrasate T PLATE B, per il raffreddamento dell’olio delle centrali idrauliche, che alimentano gli automatismi e gli azionamenti a bordo macchina.
• Scambiatori ad immersione T COIL, per il raffreddamento della vasca dell’olio di taglio.

La prima posizione ha richiesto una analisi precisa dei rendimenti delle centrali, in modo da valutare con correttezza l’esatta entità della potenza termica da dissipare, valutando in modo accorto il consumo di acqua e le temperature di lavoro, in modo da minimizzare la potenzialità del gruppo frigorifero.

La seconda posizione è stata progettata, valutando il calore indotto dalla produzione di truciolo e dalla lavorazione meccanica degli utensili.

Entrambe sono poi state sottoposte ad una analisi dei tempi di lavoro e dei tempi morti, ottimizzando la capacità del serbatoio volano. In questo modo si è potuta ulteriormente economizzare la potenzialità del chiller.

Come ulteriore miglioria, si è introdotto un sistema di free cooling, che durante la stagione più fredda, consente di arrestare i compressori, utilizzando dei semplici dissipatori T FIN, in modo da ridurre ulteriormente i consumi energetici.

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.

Qualsiasi azionamento idraulico in fatti è asservito da pompe ad alta pressione, che servono ad assicurare la necessaria energia meccanica/cinetica, per muovere i vari meccanismi ed automatismi, siano essi pistoni, motori idraulici, o altro.

L’energia generata da queste pompe, viene in parte trasmessa all’olio stesso, sotto forma di calore, per via dei rendimenti insiti in questa tipologia di macchine.

Questo calore riscalda l’olio idraulico che surriscaldandosi, perde le proprie caratteristiche fisiche, si deteriora compromettendo la funzionalità degli apparati che asserve.

Allo scopo di evitare queste situazioni, l’olio viene raffreddato dissipando il calore in eccesso tramite scambiatori di calore.

A seconda del tipo di macchinario, e del fluido disponibile (o meno), si possono utilizzare:

• scambiatori ad aria
• scambiatori ad acqua

In particolar modo, dove non è disponibile acqua come media di raffreddamento, oppure su macchine in movimento (nella fattispecie macchine movimento terra, camion, macchinari semoventi) vengono utilizzati radiatori elettroventilati.

In tutto gli altri casi, si utilizzano scambiatori ad acqua.

Tipicamente e per inerzia storica, si sono sempre utilizzati scambiatori classici a fascio tubiero, ma questa tendenza negli ultimi anni è stata sovvertita, alla ricerca di soluzioni tecnicamente più efficaci ed efficienti, alla ricerca di:

• dimensioni compatte
• minori consumi di acqua
• maggiore rendimento termico
• maggiori prestazioni
• raffreddamento dell’olio più spinto

Tutti questi vantaggi si possono raggiungere utilizzando scambiatori di calore a piastre.

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.

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.

esse possono essere sostanzialmente ricondotte alle quantità d’aria e di acqua che vengono impiegate per il raffreddamento del condensatore.

In tal senso non vanno sottovalutate anche le condizioni di funzionamento dell’impianto con bassi carichi termici, che richiedono una ridotta potenza di raffreddamento. Questo non solo per poter ottenere parametri di funzionamento dell’impianto congrui con quanto previsto in fase progettuale, ma anche per ottenere dei risparmi energetici in fase operativa.

Problemi di congelamento dell’acqua
Un ulteriore problema che interessa il bacino di raccolta dell’acqua di un condensatore evaporativo è quello che si verifica in occasione di basse temperature dell’aria esterna. In presenza di climi molto freddi, o in occasione delle fermate dell’impianto, quando l’acqua non viene utilizzata e quindi permane all’interno del bacino, vi e’ il rischio che essa congeli. Tale eventualità, ovviamente, deve essere assolutamente scongiurata. A tale scopo vengono posizionate delle resistenze elettriche nel bacino di raccolta acqua, oppure l’acqua viene stoccata in un serbatoio remoto posto in zona riparata.

Problematiche connesse alla circolazione dell’aria
Anche per quanto riguarda la circolazione dell’aria attraverso la batteria del condensatore è possibile risolvere con opportune tecniche alcune problematiche. Innanzitutto per quanto riguarda la rumorosità, i ventilatori centrifughi garantiscono maggiore silenziosità rispetto i tradizionali e più diffusi ventilatori elicoidali. I ventilatori centrifughi vengono comunemente impiegati per muovere l’aria negli impianti di condizionamento, soprattutto all’interno degli edifici. Nel caso di installazione di un condensatore evaporativo nelle vicinanze di abitazioni, i ventilatori centrifughi permettono di avere basse emissioni sonore. Inoltre, mediante l’opportuna collocazione ed installazione dell’unità evaporativa, è possibile convogliare tali emissioni sonore verso particolari direzioni, in modo da salvaguardare zone abitate dai rumori dovuti al funzionamento. Anche i motori elettrici, utilizzati per il funzionamento dei ventilatori, devono essere a ridotte emissioni sonore. Particolari tipologie di condensatori evaporativi possono essere installati anche all’interno di edifici, proprio per evitare eventuali problemi di rumorosità. I flussi dell’aria entrante, per il raffreddamento della batteria, e dell’aria uscente, che permette di rigettare il calore di condensazione, vengono veicolati attraverso opportune canalizzazioni.
A tale scopo l’impiego di ventilatori centrifughi risulta molto appropriato. Per limitare ulteriormente le emissioni di rumore possibile, infine, utilizzare idonei silenziatori agli ingressi e alle uscite dell’aria.
Ultimamente si sono sviluppati particolari tipologie di giranti assiali, che offrono un duplice vantaggio rispetto ai ventilatori centrifughi:

• Bassa rumorosità
• assorbimento elettrico ridotto

Regolazione della velocità dei ventilatori
Per ottenere diverse portate d’aria da insufflare attraverso il condensatore evaporativo vi e’ la possibilità di poter utilizzare motori a più velocità per il movimento dei ventilatori. Così, in condizioni di carichi termici ridotti o di temperature a bulbo umido dell’aria basse è data facoltà di ridurre la velocità delle ventole in maniera discreta o continua. In caso di carichi ridotti, infatti, la quantità di calore da rigettare al condensatore non  è elevata, mentre in caso di temperature a bulbo umido ridotte significa che le portate d’aria che attraversano il condensatore sono in grado di accettare notevoli quantità di umidità provenienti dall’evaporazione dell’acqua di raffreddamento: l’effetto refrigerante risulta quindi elevato, anche in presenza di basse portate d’aria.

Nuovi condensatori ad elevata efficienza
Esistono poi dei condensatori che possono essere classificati come un ibrido tra i tradizionali condensatori ad aria ed il condensatore evaporativo. Come visto in precedenza, durante le normali condizioni di esercizio dell’impianto di condizionamento può rendersi necessario rigettare quantità assai diverse di calore al condensatore. Una soluzione attuabile quella di agire sulle portate d’aria di raffreddamento, con le modalità sopra viste. Una soluzione alternativa è quella di far raffreddare il condensatore solo per mezzo di aria ambiente quando la temperatura di quest’ultima è sufficientemente bassa. La necessita’ di rigettare quantità di calore ridotte viene così interamente soddisfatta utilizzando le capacità refrigeranti dell’aria. Il condensatore funziona, così, asciutto. Quando, invece, la temperatura dell’aria ambiente sale al di sopra di uno specifico valore (che comporterebbe pressioni di condensazione troppo onerose per l’impianto dal punto di vista energetico) entrano in funzione automaticamente gli ugelli spruzzatori dell’acqua che garantiscono il funzionamento bagnato del
condensatore. Il volume d’acqua spruzzato risulta in quantità tale da venire quasi completamente vaporizzato nel passaggio nel condensatore. Si elimina, così, in gran parte il problema di ricircolo dell’acqua. Attraverso un sistema di controllo elettronico è possibile minimizzare il consumo di acqua e di elettricità. Inoltre viene ridotto il rischio di contaminazione dell’ambiente. Il funzionamento secondo due diverse prassi permette a tali apparecchiature di conseguire e di conciliare gli aspetti positivi di entrambe le modalità operative.

Schematizzazione di un condensatore con possibilita’ di funzionamento a secco e bagnato

Condensazione di vapore
In assenza di condizioni corrosive, la scelta di uno scambiatore in acciaio al carbonio è quella più conveniente. Per applicazioni con vapore a bassa pressione (25 kPa), lo scambiatore a piastre può risultare vantaggioso soprattutto se richieste particolari condizioni igieniche, possibilità di pulizia manuale, di ampliamento, oppure in presenza di acqua salmastra (in questo caso le piastre dovranno essere in titanio). Lo scambiatore a piastre risulta particolarmente compatto ed efficiente, consentendo oltre alla condensazione del vapore, anche notevoli livelli di sottoraffreddamento del condensato, utilissimi nel caso di recuperi energetici (Steampack)

Valvole pneumatiche di regolazione vapore su scambiatore

Scambiatori di calore per impianti di distillazione
Gli impianti di distillazione sono sempre composti da un condensatore posto in cima alla colonna, da un ribollitore, e spesso un sistema di preriscaldamento e/o di raffreddamento della parte bassa della colonna. In genere viene anche previsto un sottoraffreddamento delle condense. Scambiatori tipicamente utilizzati in questi impieghi, sono quelli a fascio tubiero, ma ultimamente si sono sviluppati particolari design di piastra, che permettono a questi ultimi di ottenere ottimi rendimenti, facendoli diventare una scelta preferenziale in talune applicazioni. (T WELD)

Recupero di calore testa/coda colonna
La distillazione di un fluido  è più conveniente se l’alimentazione viene effettuata alla temperatura vicina a quella di ebollizione, uno scambiatore di calore è conseguentemente spesso installato in modo da recuperare calore utilizzando il fluido in uscita per preriscaldare il fluido in alimentazione alla colonna. Il PHE è la soluzione ideale per questo genere di recuperi.

Sottoraffreddamento
La condensa rimanente prodotta dal condensatore, può richiedere un sottoraffreddamento. Ciò può essere ottenuto da un secondo condensatore costruito internamente, o dall’installazione di un condensatore separato esterno. Questa è di nuovo una applicazione ottimale per gli scambiatori a piastre PHE.

Scelta di uno scambiatore di calore

Scelta di uno scambiatore di calore – 2

Scelta di uno scambiatore di calore – 3

Scelta di uno scambiatore di calore – 4

Scelta di uno scambiatore di calore – 5

Scelta di uno scambiatore di calore – 6

Scelta di uno scambiatore di calore – 7

Nello specifico ho parlato degli scambiatori principali, ovvero quelli che in gergo vengono chiamati come “central cooling”, che forniscono il raffreddamento principale per i motori e per tutti i servizi ausiliari presenti a bordo.

Esistono poi tutta una serie di applicazioni che necessitano di raffreddamento e che beneficiano dei vantaggi apportati dalla compattezza degli scambiatori di calore a piastre.

Gli scambiatori per il “central cooling“, forniscono l’acqua “dolce” per il raffreddamento di tutti i servizi ausiliari presenti a bordo, come dicevo sopra. Su di una moderna nave esistono poi tutta una serie di azionamenti idraulici, che sono asserviti da centraline oleodinamiche:

• argani
• verricelli
• servocomandi

In tutte queste applicazioni, l’olio che viene utilizzato come elemento di forza e di trasmissione dell’energia, si riscalda e deve di conseguenza essere costantemente mantenuto alla temperatura corretta perché non perda le proprie caratteristiche.

Per queste applicazioni, si utilizzano nuovamente scambiatori a piastre ed in questo caso quasi sempre del tipo saldobrasato.

Infatti questi ultimi, uniscono alle caratteristiche tipiche degli scambiatori a piastre:

• dimensioni compatte
• alta efficienza di scambio termico

Il fatto di essere decisamente economici.

Infatti per ovvi motivi, lo spazio è sempre tiranno, quindi quanto più se ne può risparmiare meglio è.

Questo assioma, rimane valido anche per la sala macchine delle navi…avete mai provato a fare un giro in una di queste?

Dipende molto da chi e come l’ha progettata, ma in ogni caso vi renderete rapidamente conto che lo spazio è veramente un bene prezioso e raro.

I grandi motori che spingono le moderne navi, hanno bisogno di essere raffreddati, così come qualsiasi altro motore endotermico ed essendo la nave stessa in navigazione, nel bel mezzo del fluido più efficiente dal punto di vista dello scambio termico, ecco che il sistema di raffreddamento è già lì pronto ad essere utilizzato.

L’acqua di mare, carica di cloruri, è un ottimo mezzo di raffreddamento a basso costo, ma proprio per la sua salinità, richiede l’impiego di materiali che resistano alla corrosione. Un tempo si utilizzavano grandi scambiatori a fascio tubiero, realizzati in cupro-nickel (o ammiragliato), una lega resistente alla corrosione dei sali contenuti nell’acqua di mare.

Tali scambiatori dovevano essere anche facilmente pulibili, in quanto l’acqua di mare nonostante la filtrazione alla quale viene sottoposta, è carica di sedimenti e microorganismi, quindi solitamente si trattava di scambiatori a tubi diritti e testate smontabili, per una facile pulizia.

Si tratta di ottimi apparecchi di scambio termico, che hanno dei coefficienti di scambio piuttosto bassi, con dimensioni conseguentemente importanti, che necessitano inoltre di spazi contigui adeguati per poterne effettuare la pulizia mediante scovolatura.

Questa tipologia di scambiatori è stata ormai soppiantata in modo pressoché integrale dai moderni scambiatori di calore a piastre ispezionabili.

Questa tipologia di scambiatori infatti offre una serie di vantaggi che la rende insostituibile per questo tipo di applicazione:

• dimensioni compatte
• ingombro di manutenzione ridotto a zero
• alta efficienza di scambio termico
• resistenza alla corrosione

Dimensioni compatte: come molte volte sottolineato sulle pagine di questo blog, uno scambiatore a piastre avente pari caratteristiche termiche di uno scambiatore a fascio tubiero, ha dimensioni nettamente più compatte.

Ingombro di manutenzione ridotto a zero: mentre uno scambiatore a fascio tubiero scovolabile, necessita di uno spazio contiguo simile, per poter inserire e disinserire gli attrezzi per la scovolatura dei tubi, uno scambiatore a piastre, lo si smonta e rimonta nello spazio complessivo del suo telaio. Serve solamente un po di spazio laterale per la eventuale rimozione delle piastre (ma questo spazio serve comunque per poter accedere a qualsiasi apparecchiatura).

Alta efficienza di scambio termico: il coefficiente di scambio globale di uno scambiatore a piastre è circa 4 volte quello di uno scambiatore a fascio tubiero (in caso di acqua/acqua…4000 vs 1000-1200).

Resistenza alla corrosione: gli scambiatori a piastre per acqua di mare, vengono realizzati con piastre in titanio…materiale che ha una elevatissima resistenza alla corrosione da cloruri…non serve alcuno sovraspessore di corrosione.

Dimenticavo un particolare che c’entra poco con le dimensioni e lo spazio, ma che magari può interessare…uno scambiatore a piastre in titanio, di pari caratteristiche termiche di uno scambiatore a fascio tubiero in cupro-nickel, costa meno.