Viscosità oli idraulici nel dimensionamento degli scambiatori

Gli scambiatori di calore a piastre, ma può anche trattarsi di scambiatori a fascio tubiero, vengono largamente impiegati per il raffreddamento dell’olio idraulico in centrali idrauliche e impianti oleodinamici. Qui, la viscosità dell’olio idraulico è uno dei fattori più importanti da valutare nel dimensionamento degli scambiatori di calore. La viscosità di un olio motore viene espressa solitamente in gradi SAE, mentre gli oli idraulici hanno una classificazione ISO-VG, che indica appunto il grado di viscosità dell’olio.

A gradi elevati di viscosità dell’olio corrisponderanno in proporzione perdite di carico più elevate nello scambiatore, che vanno quindi tenute presenti durante la progettazione dello scambiatore, onde evitare problemi con la pompa che assicura la circolazione dell’olio all’interno dello scambiatore.

Naturalmente, quando si lavora con oli con alto grado di viscosità, ad esempio ISO-VG 320 o ISO-VG 220, e si tratta tipicamente di oli per lubrificazione, si utilizzeranno pompe a ingranaggi, quindi con pressioni elevate, che consentono di sopportare maggiori valori di perdite di carico nello scambiatore, anche fino a 1,5 o 2,5 bar.

 

Quando invece si utilizzano oli più fluidi, tipicamente in centrali idrauliche di azionamento, ad esempio ISO-VG 46 o ISO-VG 68, le perdite di carico possono anche essere più basse, nella misura di 1 o 0,5 bar, in quanto l’olio è meno viscoso e quindi più scorrevole con in conseguenza perdite di carico inferiori all’interno dello scambiatore.

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Covid-19, anche uno scambiatore fa la differenza

L’attuale situazione di emergenza sanitaria da Covid-19 richiede uno sforzo collettivo che coinvolge le imprese direttamente impegnate nella produzione di dispositivi di protezione individuale e mascherine, respiratori e dispositivi medicali per i reparti di terapia intensiva, prodotti farmaceutici e di tutti i servizi a supporto del settore sanitario.

Tanti sono infatti gli esempi di corsa solidale delle imprese italiane, che in questi giorni mettono l’ingegno, la flessibilità e la capacità di innovazione che le caratterizza per aiutare gli ospedali italiani messi allo stremo dall’emergenza coronavirus.

coronavirus pharma covid-19

Le recenti riconversioni industriali o la prontezza e creatività imprenditoriali hanno fornito validi esempi di eccellenza. Da Tenaris di Dalmine che in tempi record ha realizzato un lotto di bombole di ossigeno Siad, fino a Ferrari ed FCA che insieme a Magneti Marelli sono pronte alla riconversione delle loro linee produttive per aumentare la disponibilità di macchine per la ventilazione, a supporto delle attività di Siare Engineering, primo fornitore italiano di questi apparecchi essenziali in terapia intensiva. Ancora, il Gruppo Armani ha annunciato la conversione immediata dei propri stabilimenti di moda per la produzione di camici monouso per tutti gli ospedali e gli operatori sanitari in prima linea nella lotta al coronavirus.

Un altro bellissimo esempio è il caso della startup Isinnova, che ha modellato in urgenza delle valvole Venturi in additivo con stampa 3D, per connettere i respiratori alle maschere d’ossigeno per l’ospedale di Chiari, a Brescia. La stessa azienda ha poi anche riadattato una maschera da snorkeling del marchio Decathlon trasformandola in maschera respiratoria per la terapia sub-intensiva, grazie a uno speciale raccordo brevettato ad hoc.

Tempco progetta e realizza impianti per industrie che spesso sono direttamente coinvolte nella produzione di materiali e prodotti chimici, medicali e farmaceutici. Il momento di urgenza ha messo gli impianti in regime di massimo carico, e la disponibilità delle apparecchiature diviene in questo momento ancora più strategica rispetto ai tempi di normale richiesta del mercato. L’efficienza viene garantita anche da maggiori controlli su tutti i processi e in particolare sugli scambiatori di calore, al centro dei processi di controllo dell’energia termica.

Tempco scambiatore API covid-19

 

Nelle immagini che corredano questo post si vede uno scambiatore a piastre con evidenti segni di usura e corrosione dopo anni di servizio, attrezzature incrostate e guarnizioni danneggiate. Non si tratta di uno scambiatore di calore qualsiasi: quello nelle foto è infatti uno scambiatore di calore a piastre installato da un nostro cliente nella produzione di principi attivi in ambito farmaceutico. In particolare, l’azienda impiega lo scambiatore di calore in una linea di produzione di un API, ovvero un principio attivo (active pharmaceutical ingredient), che viene impiegato per la cura del Covid-19.
La settimana scorsa questo cliente ci ha contattati in condizioni di estrema urgenza, chiedendo il nostro intervento per la sostituzione del pacco piastre o la fornitura di un nuovo scambiatore equivalente, tutto purché nel minore tempo possibile.

scambiatore di calore API covid-19

Il cliente è una delle numerose aziende, coinvolte a vario titolo nella filiera medicale, ma non solo, che in questo periodo sta dedicando le proprie forze al contrasto del coronavirus in Italia.

Compresa la delicata situazione di estrema urgenza del cliente, che necessitava dello scambiatore riparato, pronto e consegnato al più presto, ne è seguito un giorno di lavoro intenso in Tempco, dopo aver recuperato il materiale necessario alla riparazione dello scambiatore in giro per l’Italia, con uno sforzo notevole a livello logistico.

Lo scambiatore è stato pronto per la consegna lo scorso venerdì mattina.

scambiatori a piastre pharma covid-19

 

Siamo stati felici di aver potuto fare anche noi la nostra parte, e questo mostra come nessuno è escluso da questa catena di solidarietà e che l’economia si fonda su una collaborazione stretta tra tutte le imprese, grandi e piccole, e i professionisti.

A tutte le realtà che in questo momento stanno lavorando per dare il loro contributo nell’emergenza sanitaria, sempre assicurando ai propri dipendenti le condizioni per lavorare in piena sicurezza, vanno un grazie e un grande applauso, perché unite le nostre imprese possono e stanno davvero facendo la differenza.

 

Tempco scambiatori calore API covid19

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Come installare correttamente gli scambiatori multi passaggio

Parliamo oggi di scambiatori mono passaggio e multi passaggio. A differenza delle immagini di scambiatori a piastre che siamo soliti vedere, con i tradizionali quatto attacchi sulla sola parte frontale dello scambiatore, esiste anche una tipologia di scambiatori dotati di attacchi su due lati, fronte e retro. Questi scambiatori multi pass hanno solitamente al loro interno uno schema particolare delle piastre, con controllo del flusso multi passaggio.

Scambiatori multi passaggio vengono impiegati quando occorrono salti termici molto lunghi e incroci di temperatura molto spinti, solitamente in applicazioni di recupero di energia.
Si tratta di una sorta di ‘trucchetto’, che consente di allungare le piastre per ottenere una lunghezza molto superiore, di fatto il doppio rispetto all’altezza dello scambiatore. In questo modo è possibile spingere il recupero, ovvero l’incrocio delle temperature, a dei limiti molto elevati.

Di contro, l’espediente porta con sé qualche inconveniente, ad esempio un inevitabile aumento delle perdite di carico. E’ però altresì vero che queste possono essere controllate in fase di progettazione, inserendole nel software per compensare le perdite di carico aumentando il numero di piastre, ossia in parallelo dei canali.

 

 

Un’altra conseguenza dell’installazione di scambiatori multi passaggio è il fatto di ritrovarsi con attacchi fronte e retro sullo scambiatore. La cosa può comportare degli inconvenienti in quanto complica le operazioni di manutenzione dello scambiatore, avendo valvole e tubi montati direttamente anche sulla parte posteriore, che non può quindi essere rimossa per accedere al pacco piastre per smontarlo, lavare le piastre, sostituire le guarnizioni e quant’altro.
Anche qui è però possibile bypassare il problema, montando delle curve a 90° e portando le valvole fuori dalla sagoma dello scambiatore. In questo modo quando si andrà a fare manutenzione sarà sufficiente intercettare le valvole, smontare le curve e accedere agilmente al fusto posteriore.

Infine, un’ultima implicazione è che su scambiatori multi passo non è possibile fare ampliamenti se non spostando la posizioni dei tubi.

 

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Termoregolazione atex per resine e prodotti chimici

Queste foto mostrano delle centraline ATEX di termoregolazione di reattori che vengono impiegati per la preparazione di resine e prodotti chimici. La particolare applicazione sviluppata ha dato massima soddisfazione al cliente, un’industria del settore chimico che produce adesivi speciali che trovano soprattutto impiego in imballaggio alimentare e nell’industria automotive.

Tempco termoregolazione Atex chimica

 

Il cliente impiegava in precedenza una soluzione di iniezione diretta di vapore in camicia e acqua fredda. Il passaggio alla nostra soluzione di termoregolazione e l’implementazione delle nostre centraline ha dato ottimi risultati, tanto che il cliente ha presentato la best practice del case study con le nostre centraline sia al gruppo di appartenenza negli USA che alle consociate europee.

Termoregolazione skid Atex

Tempco termoregolazione resine

Tempco centraline Atex chimica

 

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Come risparmiare energia nel raffreddamento dei data center

Eliminare i costi elevati dei tradizionali sistemi di raffreddamento ad aria nei data center è possibile, grazie all’applicazione anche in queste strutture di sistemi di free cooling nel raffreddamento a liquido per immersione. Si tratta di un’applicazione di data center cooling di cui abbiamo già parlato, e che in Tempco stiamo sviluppando attentamente in collaborazione con un importante partner con cui lavoriamo già da una decina di anni, soprattutto nell’impiego di scambiatori a piastre in campo industriale e di processo.

I data center sono strutture notoriamente energivore, sia in termini di potenza elettrica installata per far fronte alla crescente domanda di capacità di calcolo sempre più elevate, sia in termini di quantità di calore elevate sviluppate dalle attrezzature IT. Calore che attualmente viene dissipato facendo ricorso a sistemi di condizionamento di tipo classico, con gruppi frigoriferi e batterie di scambio aria/acqua.

La nuova frontiera globale che stanno studiando grandi società che si occupano di gestione di dati in cloud, come Google, Amazon e Alibaba, è quella del raffreddamento a liquido per immersione dei componenti elettronici dei server a diretto contatto con fluidi dielettrici.

 

Questa soluzione innovativa comporta vantaggi enormi innanzitutto sul fronte della temperatura, che viene gestita senza troppi passaggi termici. Le schede elettroniche vengono infatti raffreddate direttamente alla temperatura del fluido dielettrico, eliminando i passaggi a tre step di temperatura richiesti dal classico raffreddamento ad aria, ovvero freon/acqua refrigerata/aria fredda. Il circuito di condizionamento tradizionale richiede difatti tre passaggi, con il gruppo frigorifero che raffredda l’acqua, la soluzione glicolata che raffredda l’aria, e l’aria che raffredda la scheda elettronica.

Il raffreddamento a liquido permette di immergere direttamente la scheda elettronica in un fluido dielettrico. Grazie al maggiore coefficiente di dissipazione del calore offerto dai fluidi rispetto all’aria, è inoltre possibile lavorare con temperature meno basse, potendo così applicare sistemi in free cooling per il raffreddamento dei fluidi dielettrici, senza uso di sistemi di compressione di gas né di chiller, ottenendo un grandissimo risparmio energetico.

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Scambiatori di calore a piastre in allevamento salmoni

Qualche mese addietro siamo stati contattati da un’importante azienda di allevamento salmoni in vasca, che cercava nuovi scambiatori a piastre che qui vengono impiegati per mantenere le basse temperature dell’acqua utilizzata nell’acquacoltura degli esemplari.

allevamento salmoni

 

Il cliente adotta una tecnologia di acquacoltura con un moderno e avanzato sistema di ricircolo dell’acqua, che viene filtrata più volte e con completo riciclo di tutti i rifiuti. Il pesce cresce in acqua da neve sciolta in un sistema a circuito chiuso che riduce il consumo di nuova acqua al di sotto del 2%, filtrando e raffreddando il 98% dell’acqua che viene riutilizzata garantendo un ambiente di allevamento privo di prodotti chimici o antibiotici.

L’acquacoltura dei salmoni richiede naturalmente acqua salata, che sulla piastre in AISI 316 degli scambiatori di calore installati in precedenza nell’impianto provocava seri problemi di corrosione. Inoltre, ad aggravare la situazione, il precedente impiantista aveva installato erroneamente le piastre.

Tempco plate heat exchangers corrosion

Abbiamo quindi fornito nuovi scambiatori di calore a piastre in titanio, in grado di garantire non solo il necessario condizionamento dell’acqua ma anche di eliminare il problema della corrosione delle piastre degli scambiatori.

 

scambiatori calore allevamento salmoni

Come calcolare la potenza termica da dissipare nelle centrali oleodinamiche

Nelle centrali oleodinamiche, un sistema alimentato da una pompa spinge l’olio idraulico a pressione elevata all’interno di servomeccanismi e pistoni. L’olio subisce così un significativo aumento di temperatura, e necessita pertanto di un raffreddamento per mantenere le caratteristiche e la funzionalità dell’olio stesso.

Per provvedere al raffreddamento dell’olio idraulico nelle centrali oleodinamiche installiamo moltissimi scambiatori di calore a piastre.

Come si calcola quindi la quantità di calore da dissipare?

Partiamo dal principio che l’olio idraulico deve essere mantenuto a una temperatura tra i 40 e i 50° C, per alimentare correttamente pompe, cilindri e motori idraulici. La potenza termica da asportare si ottiene quindi prendendo come riferimento la potenza del motore della pompa che provvede a far circolare l’olio in pressione nel circuito idraulico. E’ infatti questo l’elemento nel sistema che trasmette energia termica all’olio.

Nello specifico si calcola il 30 o il 40%, al massimo il 50% della potenza del motore della pompa. Sarà questa la quantità di energia che occorre asportare dall’olio idraulico per raffreddarlo e mantenerlo alla corretta temperatura, onde preservarne le necessarie caratteristiche.

Si tratta di un calcolo empirico, in quanto altri fattori andrebbe considerati, quali l’effettivo rendimento della pompa e del motore elettrico. Ma per semplicità si usa in genere questa percentuale per determinare la quantità di potenza termica da dissipare dall’olio idraulico. Così, se abbiamo una pompa con motore da 100 kW, la potenza termica da asportare dal circuito dell’olio sarà compresa tra i 30 e i 50 kW.

Altro importante fattore da tenere in considerazione è quindi la viscosità dell’olio usato, e a questo tema dedicheremo presto un altro video.

L’onda globale del liquid cooling nei data center

Si muove un forte trend nel mondo dei data center, sempre più spinti verso il risparmio energetico, e questo movimento sotterraneo, anzi diremmo… subacqueo, guarda alle soluzioni di raffreddamento a liquido per immersione, che in Tempco implementiamo da alcuni anni mediante scambiatori TCOIL a immersione.
Giganti nel mondo delle infrastrutture IDC (internet data center) sul mercato cinese stanno già implementando da qualche anno soluzioni di immersion liquid cooling, ottenendo vantaggi in termini di saving energetico e su diversi altri fronti in sostituzione dei tradizionali sistemi di raffreddamento ad aria.

data center liquid cooling

Abbiamo già avuto modo di introdurre il concetto di PUE, inteso come rapporto tra la quantità totale di energia consumata da un data center e l’energia di fatto impiegata dalle apparecchiature IT. Il PUE oggi è un importante criterio anche se non l’unico per determinare l’efficienza energetica e la fattibilità anche a livello di compliance dei data center in tutto il mondo. Casi operativi già dal 2018 mostrano con numeri alla mano che il passaggio a soluzioni a raffreddamento a liquido per immersione aumentano il risparmio energetico del 12,8%, abbassando il PUE a valori anche inferiori a 1,09.

Il vantaggio ottenuto è però di fatto anche superiore, in quanto una soluzione di raffreddamento a liquido nei data center elimina l’impiego dei ventilatori per i server, portando quindi l’efficienza energetica al 21,5% e abbattendo inoltre i livelli di rumorosità nella struttura. Ancora più importante è però il passaggio dall’aria al liquido come fluido impiegato per dissipare il calore: il liquido presenta infatti efficienza di dissipazione del calore alquanto superiore rispetto all’aria. Il concetto alla base del raffreddamento ad immersione consiste quindi nel poter utilizzare un fluido a temperature meno basse rispetto a quanto richiesto nel raffreddamento ad aria nei locali del data center. Vengono così eliminati i compressori ad alta capacità dei refrigeratori, aprendo la strada all’introduzione di sistemi di free cooling, portando notevole risparmio energetico a livello di utilities quali chiller e condizionatori.

Immersion-Cooling data center

Per quantificare il risparmio di energia conseguibile, facciamo l’esempio di un chiller che fornisca acqua refrigerata a 10° C con una resa termica di 105 KW e temperatura ambiente di 30° C. Il compressore ha un motore elettrico da circa 30 KW + pompa (2,2-3 KW) + ventilatori per il condensatore ad aria (4KW circa). Sostituendo il chiller con una soluzione di free cooling, restano la pompa, la potenza dei ventilatori – che potrebbe aumentare, ma di poco…+5/10% -, ma sparisce completamente la potenza del compressore.

Nelle applicazioni per raffreddamento a liquido di apparecchiature IT, gli scambiatori saldobrasati a piastre consentono inoltre di separare il fluido dielettrico dall’acqua di raffreddamento, con una perdita di temperatura limitatissima grazie all’efficienza di scambio termico degli scambiatori a piastre.

In aggiunta, l’adozione di sistemi di raffreddamento a liquido porta il PUE a non dipendere più così strettamente dalle condizioni climatiche dell’area in cui il data center sorge, consentendo di scegliere dove localizzare la struttura in maniera più coerente alle necessità di business. Uno scenario di raffreddamento a liquido prevede inoltre che i server siano sigillati all’interno di container, limitando gli effetti di umidità, temperatura e presenza di polvere sui componenti elettronici, riducendo drasticamente gli indici di guasto a carico degli hard disk.

liquid cooling IT data center

Il raffreddamento a liquido a immersione comporta anche cablaggi molto più semplici e standardizzabili, con cabinet raffreddati a liquido posti in orizzontale. Esistono quindi già anche progetti per lo sviluppo di bracci robotici per ambienti data center raffreddati a liquido, per supportare gli addetti nel sollevamento delle apparecchiature nelle operazioni di manutenzione, rabbocco e riempimento di routine.

Naturalmente soluzioni di raffreddamento a immersione richiedono un ripensamento dei componenti elettronici e dei materiali costruttivi impiegati, che devono essere compatibili per il contatto con le diverse tipologie di fluidi che si possono utilizzare. E’ così possibile prevedere che nei prossimi anni le soluzioni con raffreddamento ad aria continueranno a coesistere a fianco di quelle a liquido, ma che la quota di sistemi di raffreddamento a immersione avrà un incremento costante.

edge-computingIl numero di data center nel mondo è destinato a continuare a crescere, per soddisfare la sempre più pressante domanda di capacità computazionale all’aumentare della quantità di big data da analizzare, delle applicazioni di AI, cloud e edge computing, 5G. Data center che saranno sempre più spinti a cercare nuove soluzioni più efficienti per ridurre il consumo energetico complessivo, in gran parte legato ai costi di raffreddamento delle strutture, aprendo al futuro delle soluzioni di liquid cooling.

Come progettare le resistenze elettriche nei termoregolatori

Nuovo video nel nostro canale Tempco YouTube dedicato alla progettazione delle resistenze elettriche nelle centraline di termoregolazione.
La gamma di centraline di termoregolazione Treg di Tempco consente di regolare la temperatura di fluidi impiegati in processi industriali in un ampio range di temperature che va da -20° C fino a +300° C. A seconda delle temperature richieste, diversi sono naturalmente i fluidi impiegati, acqua glicolata, olio diatermico, oli siliconici.

Le resistenze elettriche hanno il compito di riscaldare l’acqua o l’olio, che fungono da vettori di riscaldamento quando non sono disponibili altri fluidi di servizio ad alta temperatura, quali ad esempio vapore o altre fonti di calore.

Queste resistenze svolgono una funzione delicata in quanto devono riscaldare, a volte anche con delle potenze importanti, ma devono allo stesso tempo lavorare senza rovinare il fluido che riscaldano.
Affinché ciò non avvenga, non vanno superate certe temperature critiche per il fluido stesso che si sta trattando. Il valore da tenere in considerazione è qui detto temperatura di pelle, ovvero la temperatura della superficie a contatto tra la resistenza e il fluido.

L’olio diatermico richiede in particolare resistenze con temperature di pelle più basse rispetto all’acqua, poiché l’olio può rovinarsi, andando incontro al fenomeno del cracking, ovvero una sorta di carbonizzazione dell’olio. Questa porta a sua volta alla formazione di incrostazioni di olio deteriorato sulla superficie della resistenza, che ne abbassa la conducibilità termica e quindi l’efficienza di riscaldamento, fino a impedire il riscaldamento arrivando anche a effetti collaterali come la bruciatura del circuito della resistenza stessa.

Occorre pertanto dimensionare le resistenze elettriche secondo un carico specifico molto basso, ossia i watt dissipati per cm2, seguendo delle tabelle che impieghiamo in fase di progettazione, in modo da mantenere la temperatura di pelle delle resistenze nei limiti ammessi dal fluido da riscaldare.
Vengono per questo inseriti dei sensori di temperatura all’interno delle resistenze, che a contatto con la parte esterna dell’elemento scaldante misurano con precisione la temperatura di pelle, limitandone il funzionamento al superamento dei limiti consentiti.

Le resistenze possono avere diverse forme ed essere realizzate in svariati materiali, come acciaio al carbonio, rame, acciaio inossidabile, a seconda dei fluidi da trattare. Per le nostre centraline Treg usiamo tipicamente delle resistenze corazzate che facciamo costruire appositamente, con temperature di pelle e carichi specifici molto bassi.

Un carico specifico basso comporta la necessità di avere una maggiore superficie, con resistenze più grandi e costi superiori per raggiungere le temperature richieste. Questo accorgimento allunga però la vita della resistenza e quindi della centralina di termoregolazione stessa, portando un risparmio sul lungo termine del ciclo di vita della macchina.

Termoregolazione per ambienti Atex negli USA

Le nostre centraline di termoregolazione vengono fornite per molti clienti che operano in settori Atex, con atmosfera esplosiva come nei settori chimico e farmaceutico. E’ il caso di questi impianti di termoregolazione per pressofiltri e reattori che abbiamo fornito qualche mese fa a un cliente nord americano.

Centraline Atex termoregolazione

Nella fattispecie le normative statunitensi hanno richiesto che le centraline avessero esecuzione per ambienti esplosivi in conformità a FM IS / I / 1 / ABCDEFG simple apparatus, if installed per MS50-0923/NC (intrinsically safe).

Class 1 – Division 1 – Groups C&D
Class 2 – Division 1 – Groups F&G – T3C

Centraline termoregolazione FM approval

Si tratta in pratica dell’equivalente Atex statunitense. Le centraline hanno strumentazione, valvole automatiche/pneumatiche, motore e pompa conformi a quanto sopra.

Tempco centraline Atex USA