Deumidificare il biogas nella cogenerazione

Parliamo ancora di cogenerazione nel nuovo video tutorial che trovate nel nostro canale YouTube Tempco. In particolare ho voluto toccare l’argomento biogas, uno dei fluidi maggiormente impiegato per la cogenerazione. Prodotto da rifiuti organici, il biogas funge infatti da ottimo combustibile per alimentare motori che producono energia elettrica e termica.

Si tratta di una catena molto virtuosa, in linea con quella che oggi viene chiamata Economia circolare, e che recupera in questo caso dei rifiuti per la produzione di cogenerazione.
Nelle applicazioni a biogas per cogenerazione la tipologia di scambiatori adottata è ancora quella degli scambiatori di calore a fascio tubiero. Prima di essere immesso nel sistema il biogas richiede però un pre-trattamento, per eliminare elementi inquinanti che può contenere e soprattutto per togliere l’umidità contenuta in alto tasso nel biogas, che altrimenti se bruciato nel motore lo danneggerebbe irreparabilmente.

Il trattamento del biogas prevede una parte di trattamento termico che provvede alla deumidificazione di questi gas, che solitamente hanno temperatura di 34-40°C circa (per la parte di trattamento chimico, come desolforazione o rimozione della CO2, si veda ad esempio alla pagina a cui rimanda il link). Il biogas viene pertanto raffreddato grazie all’impiego di un chiller che lavora a temperature molto basse, circa 0° C, abbinato a uno scambiatore a fascio tubiero, al cui interno nel mantello passa il fluido freddo, in genere acqua e antigelo. All’interno dei tubi dello scambiatore passa quindi il biogas. I tubi sono tipicamente dritti e scovolabili per facilitarne la pulizia dalle particelle che il gas può portare ma non solo: infatti l’acqua che condensa a contatto con il flusso freddo dell’acqua glicolata deve poter drenare perfettamente per essere raccolta in uscita dallo scambiatore da appositi separatori di condensa.

Si tratta in genere di scambiatori molto lunghi, in quanto la lunghezza consente al biogas di transitare all’interno dello scambiatore per un tempo sufficiente a eliminare tutta l’umidità contenuta. Il biogas deumidificato viene quindi inviato tramite appositi soffianti al motore, post-riscaldato in alcuni casi per portarlo a una temperatura idonea alla combustione.

I materiali costruttivi di questi scambiatori sono acciaio al carbonio per il mantello, senza ricorso a giunti di dilatazione in quanto le differenze di temperatura sono limitate. Le testate possono pure essere in acciaio al carbonio, le tubazioni in rame. Nel caso in cui i biogas contengano elementi altamente aggressivi e corrosivi per rame e acciaio al carbonio si dovrà invece optare per una costruzione di testate e tubi completamente in acciaio inox.
Le tubazioni infine sono mandrinate e, per mia preferenza, saldate, per scongiurare ogni possibile perdita di acqua glicolata all’interno del circuito del biogas in deumidificazione.

Termoregolazione Atex nel settore chimico

L’industria chimica e farmaceutica hanno necessità di regolazione delle temperature nelle varie fasi dei processi produttivi essenziali alla qualità del prodotto finale, molto spesso ne abbiamo parlato. Abbiamo appena sviluppato una nuova interessante applicazione proprio per un cliente nel settore, per la fornitura di alcune centraline di termoregolazione per un nuovo impianto chimico per la produzione di additivi, per una serie di prodotti chimici destinati a diversi mercati, lubrificanti, plastica, acqua e petrolio. Le centraline sono asservite alla termoregolazione dei reattori in produzione.

termoregolazione atex impianto chimico

Il cliente ha disponibile nell’impianto olio diatermico da caldaia ad alta temperatura, +270°C, il che ha dato il la per studiare una soluzione di recupero di calore mediante unità di termoregolazione con scambiatore olio/olio sulla fase di riscaldamento, per la termoregolazione dei prodotti in lavorazione in un range di temperature compreso tra 10° e 200°C.
Il fluido di riscaldamento è Therminol 66, mentre il fluido di lavoro è Therminol D12.

Il ciclo di raffreddamento è invece composto da scambiatore acqua/olio, con acqua di torre evaporativa 30° C come fluido di raffreddamento, che viene immessa in uno scambiatore adatto a funzionamento con acqua a 10° C per eventuali future estensioni del range di funzionamento.

regolazione temperatura impianto chimico

La parte delicata del progetto è stata proprio lo scambiatore di calore olio/olio, che per le temperature elevate implicate ha richiesto un accurato lavoro di ingegneria per il calcolo dei coefficienti di dilatazione, degli scambiatori, delle tubazioni e dei giunti interni. Per gli scambiatori sono stati scelti particolari scambiatori a fascio di tubi, detti ‘a chioma’, che hanno tubi svincolati liberi di muoversi all’interno, senza richiedere compensazioni di dilatazione sul mantello. Tutte le giunzioni interne alla centralina sono invece state eseguite con flange e/o saldature, con giunti di compensazione frapposti nei punti a più alta criticità di distensione dei materiali.

Le centraline sono in esecuzione Atex zona 2 IIG per ambiente a rischio esplosivo, complete pertanto di:

  • termostato atex di massima temperatura
  • pressostato atex di massima pressione
  • sonda di temperatura atex con trasmettitore 4-20 mA
  • valvola a tre vie ON/OFF, per selezione scambiatore caldo/freddo DN125, completa di attuatore pneumatico e valvola pilota
  • valvola a due vie ON/OFF su acqua di raffreddamento, completa di attuatore pneumatico e valvola pilota
  • valvola a due vie modulante su Thermionl 66, completa di attuatore elettro-pneumatico modulante
  • valvola a due vie ON/OFF per intercettazione Therminol 66 completa di attuatore pneumatico e valvola pilota

Come poi spesso capita, l’installazione di apparecchiature in questi impianti deve rispettare ingombri ridotti. Per questo abbiamo installato gli scambiatori inclinati, il che ha comportato lavorazioni particolari delle tubazioni con pezzi su misura e calcoli aggiuntivi sulle dilatazioni proiettate sull’angolazione, per la corretta valutazione degli angoli per garantire i drenaggi e la realizzazione di setti interni agli scambiatori adatti al tipo di installazione inclinata, oltre a speciali supporti a sella che consentissero allo scambiatore di muoversi compensando le dilatazioni.

termoregolazione atex industria chimica

La scelta delle connessioni a flangia, oltre a garantire protezione dalle perdite d’olio, che in ambiente Atex diventa critica, è funzionale anche a una facile installazione. Le connessioni flangiate garantiscono infatti la certezza delle quote in caso di montaggio/smontaggio, a differenza delle filettature con cui sono sufficienti uno o due giri di filetto per trovarsi fuori quota, oltre a esporre al rischio di perdite di olio.

industria chimica centralina termoregolazione

 

T COIL alias flessibilità in termoregolazione

Parliamo oggi in questo nuovo video sul nostro Canale Tempco YouTube di una tipologia molto particolare di scambiatori di calore, gli scambiatori T COIL. Si tratta di scambiatori a immersione, che non hanno una versione standard ma vengono realizzati su disegno per le specifiche applicazioni finali.

Gli scambiatori ad immersione della serie T COIL sono scambiatori primari molto versatili ed efficienti, che vengono realizzati con un metodo semplice ed efficace: due lamiere saldate perimetralmente e tramite puntatura vengono rigonfiate mediante elevata pressione, per ottenere una canalizzazione interna che crea una serie di passaggi per il fluido di trasferimento del calore. Il materiale delle lamiere è solitamente acciaio inossidabile AISI, in quanto consente la deformazione a freddo dopo la saldatura senza criccarsi e rompersi.

La notevole resistenza meccanica consente di utilizzare materiali dagli spessori contenuti. Tale peculiarità permette di contenere i costi, ottenendo ottimi coefficienti di scambio termico, minore inerzia e in definitiva una elevata efficienza termica. Gli scambiatori della serie T COIL, possono essere utilizzati per immersione diretta nel fluido da riscaldare o raffreddare oppure mediante applicazione esterna tipo ‘clamp-on’ su serbatoi, tubazioni o macchinari. I fluidi di lavoro possono essere vari, vapore, olio diatermico, acqua, acqua surriscaldata.

 

Le applicazioni sono veramente innumerevoli, in Tempco li utilizziamo nei settori alimentare, chimico, farmaceutico, o ad esempio industria della carta, ma ogni anno ne scopriamo e sviluppiamo noi stessi di nuove che non pensavamo. Dalle prime applicazioni ad immersione per termoregolare acqua, gli impieghi sono andati mano a mano ben oltre, per raffreddamento di granaglie, di polveri, o ancora installati in clamp-on all’esterno di serbatoi al posto delle tradizionali serpentine.

Siamo in grado di produrre scambiatori T COIL in dimensioni standardizzate, gli unici limiti dimensionali sono legati alle misure dei fogli di lamiera spianata o alla larghezza dei coils che si trovano in commercio. La nostra officina può anche realizzare scambiatori e piastre con le dimensioni personalizzate necessarie alle applicazioni più disparate, spaziando nelle forme e geometrie più differenti, per adeguarsi alle specifiche esigenze dei clienti e dei processi che andiamo a termoregolare. Questa peculiare flessibilità costruttiva consente di poter estendere l’applicazione degli scambiatori T COIL a una serie notevole di applicazioni in ambito del raffreddamento e riscaldamento di processi produttivi.

Troubleshooting tenute meccaniche parte 2

Riprendiamo l’argomento del riconoscimento dei danni alle tenute meccaniche e loro risoluzione, dopo aver parlato nel precedente articolo dei problemi legati alla lubrificazione. Le tenute meccaniche possono presentare diverse forme di usura. Un tipo di usura irregolare può essere ricondotta a una eccessiva usura dei cuscinetti e alla presenza di vibrazioni nella macchina.

usura tenute meccaniche

Anche la presenza di piccole quantità di particelle dure all’interno del fluido pompato può portare a danni da usura sulle tenute: queste particelle, depositandosi sulle facce delle tenute meccaniche, agiscono infatti come l’utensile di una rettifica, danneggiando la superficie di contatto. Un tipo di usura intermittente a tratti sulla faccia di tenuta può quindi aversi quando le facce della tenuta non sono perfettamente piane, con costruzione meccanica difettosa della tenuta stessa, come anche per un errato montaggio.

usura faccia tenute meccanicheusura intermittente facce di tenuta

 

Incompatibilità con i fluidi
La scelta dei materiali delle tenute è essenziale per il buon funzionamento di una tenuta meccanica, avendo cura che i materiali siano compatibili con il tipo di liquidi pompati. Problemi derivanti da una errata selezione dei materiali possono essere rigonfiamenti degli elastomeri (swelling), e in questo caso ad aggravare il problema intervengono le temperature elevate e i tempi prolungati di esposizione. Incompatibilità tra materiali e fluidi pompati può portare anche alla corrosione delle tenute, con deterioramento delle superfici di tenuta.

swelling elastomericorrosione tenute meccaniche

Installazione e collegamenti
Anche la corretta installazione è fondamentale per mantenere le tenute meccaniche in buono stato. Qui sotto vedete due esempi di danni alle tenute riconducibili a una errata installazione della tenuta, con conseguenze quali OR tagliati o danneggiati e rotture nell’anello di tenuta.

OR danneggiati tenute meccanicherottura anello di tenuta

E’ inoltre importante che la pressione di lavoro della pompa sia compresa nel range di pressione di design della tenuta meccanica. Se questo valore viene superato, la pressione elevata può danneggiare irreversibilmente la tenuta. Infine, attenzione anche al senso di rotazione della pompa, onde evitare la rottura della molla. Queste rotture possono verificarsi ad esempio per errati collegamenti elettrici del motore, con una pompa collegata in parallelo senza valvole di ritegno, o in caso di flusso di ritorno a pompa spenta.

danni da pressione tenute meccanicherottura molla tenute meccaniche

Per qualsiasi dubbio o necessità, il team di Asssistenza Tempco è al vostro servizio per aiutarvi a risolvere qualsiasi problema.

Recupero fumi in cogenerazione e scambiatori a fascio tubiero

Parliamo oggi di scambiatori a fascio tubiero applicati alla cogenerazione. Davvero tante volte abbiamo già parlato di cogenerazione, e in questo nuovo video appena caricato sul canale YouTube di Tempco parliamo del recupero di calore dai fumi esausti dei motori.

Un impianto di cogenerazione è difatti di norma composto da un motore endotermico che mette in funzione un generatore elettrico per la produzione di corrente. Come dice il nome cogenerazione, ovvero generazione concomitante di energia elettrica e calore, il sistema sfrutta anche l’energia termica prodotta dal motore endotermico. Ciò è possibile grazie al recupero di calore che si ottiene con l’impiego di uno scambiatore a fascio tubiero sul circuito dei fumi di scarico del motore.

I fumi di scarico del motore endotermico hanno in questo caso una percentuale di calore proveniente dal sistema molto elevata, che rende pertanto assolutamente conveniente il recupero stesso di questa energia termica che altrimenti andrebbe dissipata e persa. I fumi esausti sono infatti a temperature molto elevate, che a seconda del tipo di motore e combustibile impiegato possono essere comprese indicativamente tra 550 e 650° C.

Per questa applicazione vengono utilizzati scambiatori a fascio tubiero a tubi dritti e scovolabili, onde consentire la pulizia del tubo stesso data la presenza di pulviscolo e particelle da combustione nei fumi. Il materiale di costruzione è in genere acciaio inox, soprattutto per le due testate e per i tubi che lavorano a diretto contatto con i fumi. I fumi di combustione da gasolio, biogas o metano possono infatti contenere degli elementi acidi che vanno a intaccare e corrodere i materiali dello scambiatore, soprattutto alle alte temperature a cui lavorano.

scambiatore fascio tubiero cogenerazione

Le temperature elevate in gioco in applicazioni di recupero di calore nella cogenerazione richiedono quindi alcuni accorgimenti nella costruzione: onde scongiurare gli effetti dovuti alle dilatazioni termiche dei materiali, quali perdite ad esempio, tutti i tubi devono essere saldati e mandrinati sulle testate, mentre sul mantello esterno, al cui interno viene fatta scorrere l’acqua destinata al recupero dell’energia termica, viene installato un compensatore di dilatazione.

testata scambiatore fascio tubiero cogenerazione

Troubleshooting nelle tenute meccaniche

Problemi alle tenute e come riconoscerli. Vari possono essere i problemi di usura delle tenute meccaniche impiegate in macchinari dotati di parti in movimento. Una prima causa è certamente da ricercare in problemi a carico della lubrificazione delle tenute stesse. Vediamo allora quali sono i principali segnali e le principali cause di una errata o insufficiente lubrificazione delle tenute meccaniche per una corretta risoluzione dei problemi.

Funzionamento a secco
Il funzionamento a secco si verifica quando non c’è liquido intorno alla tenuta meccanica. L’assenza di film lubrificante provoca l’attrito tra le facce della tenuta, per cui di conseguenza la temperatura sale drammaticamente. Il danno tipico causato dal funzionamento a secco è rappresentato da parti elastomeriche bruciate. Il danno si verifica quando l’O-ring è in contatto con l’anello di tenuta surriscaldato.

tenute meccaniche funzionamento a secco

Scarsa lubrificazione
Una scarsa lubrificazione può verificarsi quando la viscosità del fluido pompato è molto bassa, oppure se la temperatura a pressione atmosferica è superiore al punto di ebollizione, o ancora in presenza di aria all’interno del circuito. In questi casi, il calore di attrito che si concentra in piccole aree sulla faccia della tenuta può essere molto elevato. Il riscaldamento e il raffreddamento locali alternati delle superfici della tenuta meccanica possono causare piccole fessure radiali dovute allo shock termico.

tenute meccaniche risoluzione problemi

Assenza o scarsità di flusso
Si verifica quando la pompa sta funzionando con la valvola di mandata chiusa. Il calore generato dall’attrito nella tenuta dell’albero genera una temperatura elevata. L’aumento della temperatura può danneggiare le parti elastomeriche della tenuta meccanica. Inoltre, aumenta anche il rischio di funzionamento a secco sulla superficie di tenuta meccanica.

tenute meccaniche troubleshooting

Molte altre cause possono quindi generare problemi a carico delle tenute meccaniche, come una installazione errata, difetti nei componenti o una incauta scelta dei materiali. Dedicheremo almeno un altro prossimo post all’analisi in dettaglio e alla risoluzione di queste problematiche.

Corrugazione delle piastre H o L negli scambiatori di calore

Nuovo video nel nostro canale YouTube Tempco, oggi parliamo di tipologia di piastre H o L negli scambiatori di calore a piastre. Le piastre in questi scambiatori possono infatti essere di tipo H o L, sigle che stanno per alta e bassa efficienza (high theta or low theta angle). L’efficienza di scambio termico in uno scambiatore di calore a piastre è infatti funzione della turbolenza indotta nel flusso dei fluidi, legata alla tipologia dell’angolo Chevron di corrugazione nel design della piastra.

Nelle piastre H l’angolo è ottuso, il che comporta che nella sovrapposizione delle piastre, ruotate di 180° tra loro, si ottiene un numero molto elevato di punti di contatto con di conseguenza un elevato coefficiente di scambio termico. Più elevate saranno però anche le perdite di carico.

Per questo esistono anche le piastre L, in cui l’angolo Chevron è molto più acuto. Questo si traduce in minori punti di contatto nella sovrapposizione delle piastre, minori perdite di carico ed efficienza di scambio termico inferiore.

Le piastre L sono pertanto indicate per applicazioni di trasferimento di calore con fluidi molto viscosi e dove non servono scambi termici particolarmente spinti.
Le piastre H sono invece impiegate per ottenere elevata efficienza di scambio termico laddove sono ammesse perdite di carico elevate, avendo quindi pressione della pompa di ricircolazione dei fluidi.

Come scegliere tra piastre H e piastre L? La scelta avviene al momento dell’inserimento dei valori di progettazione nel software di calcolo dello scambiatore, con valori quali massime perdite di carico ammissibili, tipologia dei fluidi e loro temperature in ingresso e in uscita. Il software indica quindi la tipologia di piastre, spesso anche suggerendo il mix ideale tra piastre H e piastre L per ottenere il compromesso tra efficienza termica e perdite di carico più adatto alla specifica applicazione.

 

Funzionamento di uno scambiatore a piastre, Tempco VIDEO

Con questo 2019 vogliamo inaugurare un anno di novità, a partire con dei video tutorial di Tempco in cui cercherò di spiegare in maniera semplice alcuni principi di funzionamento di macchinari per gestione dell’energia termica, come gli scambiatori di calore o le pompe di calore. Come si suol dire, ci ho voluto mettere la faccia, infatti quello che vedrete in video sono io, Valter Biolchi, titolare di Tempco e di questo stesso blog.

Il primo video ho voluto dedicarlo agli scambiatori di calore a piastre, che da sempre ritengo una delle soluzioni più flessibili e ad elevata efficienza di scambio termico disponibili. Come spiego nel video, infatti, gli scambiatori a piastre offrono coefficienti di scambio termico molto più elevati rispetto agli scambiatori a fascio tubiero. Ciò è dovuto al fatto che i fluidi all’interno dello scambiatore si muovono con moto turbolento anche quando i fluidi stessi hanno velocità molto basse.

Questo moto turbolento è ottenuto grazie al design a spina di pesce delle piastre, che vengono quindi accoppiate ruotate di 180° tra loro, creando una serie di canali della larghezza di circa 2,5 – 3 mm, a seconda del tipo di scambiatore, che costringono il fluido a un moto tra le piastre non lineare, ma continuamente spezzato.

scambiatori a piastre corrugate moto fluidi

Un altro vantaggio offerto quindi dagli scambiatori di calore a piastre sono gli ingombri molto compatti ottenibili con questa tipologia di soluzioni, e soprattutto come spiego nel video la possibilità di avere l’incrocio delle temperature tra fluido caldo e fluido freddo.

Data center cooling, l’avanzata delle soluzioni a liquido

Iniziamo questo nuovo anno all’insegna della continuità nel cambiamento… torniamo infatti a parlare di raffreddamento nei data center, ultimo argomento con cui vi abbiamo salutato nel 2018. E dandovi il benvenuto in questo 2019, lo facciamo freschi di un nuovo logo per Tempco, un rinnovamento cui dedicheremo un prossimo post.

data center cooling

Tornando al raffreddamento nei data center, ci siamo imbattuti in un interessante articolo online che spiega come la corsa al potenziamento dei rack nei data center stia mettendo in crisi i tradizionali sistemi di raffreddamento ad aria, in favore del raffreddamento a liquido, argomento che avevamo già affrontato anche nei mesi scorsi. Secondo uno studio di Gartner riportato, il raffreddamento ad aria non è più in grado, nemmeno con i sistemi più grandi, di assicurare la dissipazione del calore nei data center dove il consumo elettrico sale dai 16 ai 20 kilowatt per rack. L’incremento di densità interessa inoltre tutti i data center a livello globale, e sempre secondo Gartner il raffreddamento a liquido dei data center cresce a un tasso del 25%.

La migliore efficienza di raffreddamento nei sistemi a liquido è dovuta al semplice fatto che i liquidi conducono il calore meglio dell’aria, con un’efficienza tra le 50 e le 1.000 volte superiore. Diverse sono le opzioni possibili di raffreddamento a liquido, dall’acqua a speciali fluidi non conduttivi, fino ai nanofluidi, speciali fluidi termovettori su cui lavorano diversi team di ricerca e che grazie all’aggiunta di nanoparticelle metalliche nei comuni fluidi operativi ne incrementano la conducibilità e la capacità di scambio termico.

raffreddamento a liquido data center

Nel raffreddamento a liquido di data center gli scambiatori di calore possono essere posizionati nella parte posteriore dei rack o a diretto contatto con i componenti hardware grazie all’impiego di fluidi non conduttivi. Altro fronte decisamente interessante che sta prendendo piede è il ricorso all’immersione dei rack direttamente in fluidi dielettrici, o addirittura la creazione di data center sottomarini, come quello Microsoft nel progetto Natick, cui pure fa riferimento l’articolo, o del data center Green Mountain già citato anche nel nostro blog Tempco.

Il trend pone nuove sfide agli staff IT, generalmente spaventanti dalla presenza di acqua quando si parla di server, per la paura di possibili perdite. L’aumento di potenza di calcolo e di calore prodotto dai data center impone d’altra parte il ricorso a nuove soluzioni ad acqua e a liquido, che oggi vengono sviluppate con attenzione dal punto di vista della sicurezza dell’elettronica. Serve pertanto un cambio culturale da parte degli amministratori IT, con percorsi di formazione che li preparino al cambiamento tecnologico in corso nel raffreddamento delle infrastrutture IT.