Saldobrasati a piastre per rinnovabili e auto elettriche

Parlando di scambiatori a piastre saldobrasati, la nuova serie R di scambiatori di calore offre coefficienti di trasferimento termico migliorati del 10%, ed è ottimizzata per applicazione in pompe di calore e sistemi HVAC. Il materiale di brasatura impiegato è il rame, per un range massimo di pressione compreso tra 30 e 45 bar, mentre la massima temperatura di lavoro è di 200° C.

Gli scambiatori sono disponibili in due formati, e possono avere fino a un massimo di 120 piastre, disponibili con diverse combinazioni di corrugazione della superficie di scambio H, M e L.

scambiatori saldobrasati Tempco

Numerosi sono quindi gli ambiti applicativi, a partire da sistemi HVAC e raffreddamento e riscaldamento industriale, ad esempio su centri lavoro e macchine utensili, stampaggio a iniezione di materie plastiche e compressori. Molto interessanti sono quindi le possibili applicazioni che questi scambiatori a piastre saldobrasati possono avere nel settore delle energie rinnovabili, per scatole ingranaggi e unità idrauliche in generatori eolici, come evaporatori, condensatori e per recupero di calore in cogenerazione e impianti ORC, ma anche nei veicoli per il trasporto, non solo per il raffreddamento dell’olio motore ma anche ad esempio per il raffreddamento delle batterie in veicoli a trazione elettrica, auto o bus elettrici.

Tempco BPHE applications

Scambiatori saldobrasati, rame o nickel?

Gli scambiatori saldobrasati sono un particolare tipo di scambiatori a piastre che consentono applicazioni a pressioni elevate e in range di temperatura più ampi. Ciò è dovuto al particolare processo di costruzione che offre elevata resistenza meccanica agli scambiatori a piastre saldobrasati: le piastre di questi scambiatori vengono infatti realizzate per stampaggio a freddo in acciaio inossidabile, e nell’assemblaggio dello scambiatore le piastre vengono posizionate una sopra l’altra interponendo delle lamine stampate a freddo in rame o nickel.

Lo scambiatore viene quindi posto in forno sottovuoto, dove ad alte temperature di fusione del rame o del nickel questi due materiali si sciolgono, andando per capillarità a riempire i punti di contatto dello scambiatore. Tutti gli scambiatori vengono quindi testati a pressione per verificare l’assenza di perdite ed eliminare eventuali scarti.

Veniamo quindi alla scelta del metallo, rame o nickel? La scelta deve essere fatta in base a due criteri, ovvero la necessità di lavorare con fluidi corrosivi e le pressioni in gioco. Il rame, infatti, pur essendo un ottimo materiale, a contatto con vapori contenenti ammine e ammoniaca è esposto a corrosione, portando in breve tempo a perdite.

Di contro, uno scambiatore a piastre saldobrasato in rame può sopportare pressioni di 30 bar e superiori, mentre la versione in nickel ha limiti di resistenza alla pressione inferiori, pari a 16 bar in versione standard e fino a 25 bar per versioni particolari. Il nickel offre però maggiore resistenza alla corrosione, adatto pertanto per impiego con fluidi aggressivi verso il rame.

Scambiatori di calore a immersione in porto

Abbiamo sviluppato lo scorso anno una applicazione per la dissipazione del calore di una pompa di calore con impiego di TCOIL a immersione nelle acque del Lago di Como. A distanza di meno di un anno stiamo quindi lavorando a una applicazione analoga, questa volta spostandoci dal contesto lacustre all’ambientazione marina.

La soluzione con scambiatori dimple jacket a immersione TCOIL si presta infatti alla perfezione anche per un altro cliente, che ha necessità di raffreddamento/riscaldamento dell’acqua di servizio a delle pompe di calore in un porto della Liguria, sfruttando la presenza di acqua di mare. Il cliente attualmente impiega scambiatori a piastre tradizionali, che a causa della presenza della sabbia e di una filtrazione non adeguata creano problemi di intasamento, con conseguenti problemi di condizionamento/riscaldamento delle utenze collegate.

TCOIL dimple jacket pompe di calore porto Loano

 

La soluzione sviluppata e proposta da Tempco impiega quindi due batterie di scambiatori TCOIL immerse nelle acqua del porto, realizzate con materiale resistente ai cloruri SAF 2507 (duplex), onde prevenire la corrosione degli scambiatori che operano a contatto continuo con l’acqua marina.

La consegna dell’impianto è prevista per luglio 2019, in tempo per l’inizio della stagione estiva. In seguito forniremo allo stesso cliente anche ulteriori scambiatori di calore per la riqualificazione e l’ottimizzazione energetica degli impianti.

Fattore di sporcamento negli scambiatori di calore

Parliamo ancora di scambiatori di calore, e nello specifico di fouling factor, o fattore di sporcamento in uno scambiatore. L’argomento del nuovo video sul Canale Youtube Tempco è molto rilevante per garantire l’efficienza di scambio termico negli scambiatori, e ricevo spesso al riguardo molte domande. I fluidi all’interno degli scambiatori possono infatti con il tempo creare dei depositi sulle pareti di scambio termico, diminuendo l’efficienza dello scambiatore.

Il fouling factor è quindi sostanzialmente un coefficiente di sovradimensionamento che viene applicato nella progettazione degli scambiatori di calore. In pratica, in progettazione viene previsto un margine superiore nel dimensionamento dello scambiatore, che serve a contrastare la perdita in efficienza di scambio termico dovuta a sporcamento delle superfici di trasferimento termico.

Il calcolo del coefficiente dipende dal tipo di moti che avvengono all’interno dello scambiatore, che influiscono direttamente sulla quantità di particelle che possono depositarsi sulle superfici di scambio. Il fattore di sporcamento varia quindi a seconda della tipologia di scambiatore coinvolta, che si tratti di uno scambiatore a fascio tubiero, a piastre o altro ancora. I valori di fouling factor in uno scambiatore a piastre sono in particolare dieci volte inferiori rispetto a quelli validi per uno scambiatore a fascio tubiero, in quanto all’interno di uno scambiatore a piastre i moti dei fluidi sono molto più turbolenti.

Il moto turbolento dei fluidi in uno scambiatore a piastre trasporta infatti con sé le particelle che potrebbero depositarsi sulle superfici di scambio, richiedendo pertanto un inferiore coefficiente di sovradimensionamento dello scambiatore. Altra ragione è legata alla costruzione stessa del tipo di scambiatore: uno scambiatore a fascio tubiero una volta costruito non può essere ampliato, mentre uno scambiatore a piastre consente di variare e aumentare il numero di piastre all’occorrenza, potendo quindi intervenire in caso di perdita di efficienza di scambio di calore dovuta ad esempio a fluidi sporchi o variazioni nelle condizioni di progetto.

Recupero di calore nelle consegne a domicilio

Migliorare lo standard delle consegne a domicilio utilizzando un forno che raccoglie l’energia di scarto dallo scarico del motore dello scooter mediante uno scambiatore di calore. L’idea è davvero interessante ed è stata sviluppata dalla start-up emiliana Hotbox, grazie alle competenze di un team di ingegneri specializzati in aerospaziale e automazione industriale ed esperti in innovazione, tra cui il fondatore e ceo Anthony Byron Prada. Hotbox ha così realizzato una applicazione di recupero di calore che consente di mantenere il cibo fragrante, allo slogan ‘Taste the food, not the journey’.

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Hotbox consiste di una robusta struttura che alloggia uno scambiatore di calore, un sistema di ricircolo d’aria e un deumificatore, ed è in grado di mantenere il cibo caldo a una temperatura di 85° C, ma soprattutto di poterlo gustare fragrante come appena uscito dal ristorante grazie all’eliminazione dell’umidità, per oltre 40 minuti.

scambiatori di calore recupero energetico rigenerazione olio trasformatoriLa soluzione impiega tecnologia HotAir e SteamFree, ed espelle l’umidità in eccesso che si crea durante il trasporto, mantenendo il cibo caldo e asciutto, come appena uscito dalla cucina. La soluzione è ideale per ristoranti e aziende di food delivery, oggi sempre più numerose e diffuse come lobo, Just Eat, Deliveroo e Uber Eats.

La tecnologia che sfrutta il recupero del calore di scarto del motore degli scooter è al momento compatibile con tre modelli di scooter cargo tra i più diffusi sul mercato (Kymco Agility Carry 50/125, Peugeot Tweet Pro 125, Sym Symphony Cargo 125), e sono previste nuove versioni per adattare il sistema anche ad altri veicoli.

Funzionamento di un gruppo frigorifero

Abbiamo già parlato delle pompe di calore in un precedente video sul nostro canale Tempco YouTube, saltando forse un passaggio. Dedichiamo allora un nuovo tutorial alla spiegazione di come funziona un gruppo frigorifero, anche in risposta a molte richieste arrivate.

Diciamo innanzitutto che in tutte le case troviamo un gruppo frigorifero: il frigorifero di casa è di fatto un gruppo frigorifero, dal momento che funziona impiegando lo stesso ciclo. Il ciclo termico è piuttosto noto, basato su cicli di condensazione, espansione, evaporazione e compressione, spiegati un po’ ovunque sul web. Preme piuttosto sottolineare un fondamentale concetto, ovvero il fatto che un chiller non ‘produce freddo’, ma asporta calore, impiegando gas frigorigeno, o freon, come vettore di energia termica.

Il gas viene messo in circolo nell’ambiente mediante un compressore, quindi tramite un evaporatore, ossia uno scambiatore di calore, il gas passa dallo stato liquido a quello di vapore. Nel cambio di stato il gas assorbe energia, riscaldandosi, abbassando di conseguenza la temperatura dell’ambiente.

Il gas arriva quindi al condensatore esterno, un altro scambiatore di calore, dove viene condensato raffreddandosi, tornando allo stato liquido e cedendo all’ambiente esterno il calore asportato. Il ciclo completato consiste quindi in un semplice trasferimento di energia da un ambiente interno da raffreddare a un ambiente esterno.

Termoregolazione nel recupero e raffinazione di metalli preziosi

Il trattamento dei metalli preziosi è un campo di peculiare interesse, che presenta necessità piuttosto sfidanti. Abbiamo di recente fornito due centraline di termoregolazione appositamente sviluppate per un cliente che opera nel campo della raffinazione e recupero di metalli pregiati. Le due ultime centraline consegnate portano così a una dozzina le macchine fornite al cliente nel corso degli anni, che lavorano sui reattori impiegati nel processo dove viene raffinato il metallo pregiato di recupero.

precious metals refining thermoregulation

Le due nuove unità di termoregolazione sono il frutto dell’esperienza accumulata nelle precedenti installazioni, e nascono dal confronto con il cliente stesso, che necessita nel proprio processo produttivo di apparecchiature estreme e altamente affidabili, che operano in continuità con acqua pressurizzata a 135° C continui.

termoregolazione raffinazione metalli pregiati

scambiatori saldobrasati raffinazione metalliQuesta particolare esigenza di processo ha richiesto l’implementazione di una serie di componenti specifici, come una pompa Grundfos dotata di tenuta speciale raffreddata a liquido. Le unità di termoregolazione lavorano con scambiatori di calore saldobrasati in versione impact per alte pressioni pulsanti, appositamente progettati per impiego con vapore e acqua pressurizzata. Sono quindi state installate valvole modulanti e on/off pneumatiche, con attuatori metallici capaci di sopportare le massime sollecitazioni termiche.

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Le centraline hanno quindi un flussometro per il controllo della portata, elemento fondamentale per assicurare l’efficienza dello scambio termico dei reattori asserviti. Infine, tutte le tubazioni sono state realizzate in acciaio inox, con connessioni flangiate (o saldate laddove non siano flangiate) e guarnizioni spirometalliche per compatibilità con alta temperatura.

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Miscelazione dei fluidi in uno scambiatore a piastre

Molte volte mi è stato chiesto se è possibile che in uno scambiatore di calore a piastre avvenga la miscelazione dei fluidi. Come spiego nel nuovo tutorial sul canale Tempco YouTube, la risposta è che l’unica eventualità in cui i fluidi in uno scambiatore a piastre si possano miscelare è che avvenga la rottura di una piastra, per effetto o di corrosione del materiale della piastra o cracking della stessa.

Altre eventualità sono scongiurate dal sistema intelligente con cui sono studiate le guarnizioni in uno scambiatore. Non è infatti possibile che avvenga la miscelazione dei fluidi nello scambiatore solo per la rottura di una guarnizione. Le guarnizioni in uno scambiatore a piastre presentano infatti sempre una doppia protezione.

Le guarnizioni negli scambiatori di calore a piastre scorrono infatti lungo tutto il perimetro e nella zona dei bocchelli, dove avviene il passaggio del fluido da una piastra all’altra. In questa zona la guarnizione è doppia, e presenta inoltre una sorta di drenaggio verso l’esterno, per cui in caso di rottura di una delle due parti della guarnizione avremo una perdita di liquido verso l’esterno, che avvisa della rottura della guarnizione. E’ quindi sufficiente fermare il funzionamento dello scambiatore ed estrarre la coppia di piastre dove è avvenuta la perdita, richiudere lo scambiatore e far ripartire l’impianto.

Termoregolazione e banchi prova per auto elettriche

L’elettrificazione nel mondo automotive prepara una grande rivoluzione nel mondo dei trasporti. Con il cambiamento dal motore a combustione al nuovo tipo di trazione elettrica, è presumibile nasceranno nuove richieste e applicazioni per sistemi di termoregolazione e raffreddamento per banchi prova di motori elettrici di nuova generazione che verranno.

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Sebbene infatti uno scenario di auto elettriche di massa sia ancora relativamente lontano, gli esperti del settore non attendono infatti un avvento dell’auto elettrica nella mobilità di massa prima di altri 10, forse 20 anni, è però certo che il cambiamento è già iniziato. Le auto elettriche sono difatti già una realtà, anche se c’è ancora molto da fare su diversi aspetti. Innanzitutto, il peso ancora eccessivo del pacco batterie rispetto al peso complessivo delle vetture, e l’infrastruttura di ricarica per i veicoli elettrici che non è ancora pronta a sostenere le richieste di un parco macchine fatto di grandi numeri. Immaginando poi un futuro in cui le persone la notte attaccheranno alla rete il proprio veicolo elettrico per la ricarica nel garage di casa, occorreranno sistemi per la gestione dei picchi nella richiesta. Qui probabilmente IoT, connettività nei veicoli e intelligenza artificiale si riveleranno preziosi per sviluppare sistemi intelligenti per regolare il sistema.

electric powertrain

E’ inoltre ancora troppo bassa la percentuale di energia prodotta da fonti rinnovabili, pari in Italia a circa il 17,1% sul totale prodotto. L’obiettivo di una mobilità sostenibile in elettrico e della decarbonizzazione sarebbe quindi oggi vanificato, se tutto il fabbisogno energetico di un parco di auto elettriche di massa non fosse soddisfatto con energia rinnovabile.

electric engine test benchIntanto molti grandi costruttori automotive hanno già annunciato che entro 5-10 non produrranno più auto termiche, e già entro i prossimi 2-3 anni tutti prevedono di avere veicoli elettrici in tutti i segmenti del proprio catalogo. Le applicazioni di raffreddamento e termoregolazione per banchi prova automotive e collaudo sono un segmento applicativo importante anche per Tempco, e qui è prevedibile che la transizione verso il power train elettrico richiederà lo sviluppo di nuovi sistemi per banchi prova di motori elettrici e batterie, come già sta avvenendo.

Infine, merita attenzione la filiera coinvolta nella produzione industriale delle batterie. Questa comprende diverse fasi: in Europa le aziende possiedono il know how per coprire la fase che va dal modulo batteria al sistema di controllo, mentre è gravemente assente la competenza nella prima fase produttiva, che va dalla lavorazione del minerale attivato per catodo e anodo alla produzione di elettrodi e celle. Fase che oggi è dominata da LG, Samsung e Sony, con qualche altra realtà est-asiatica. Alcuni progetti sono a tale riguardo già partiti in Europa, e c’è già stata anche una prima call in Italia, chiusa a fine febbraio scorso, per manifestazioni di interesse da aziende che potrebbero svolgere un ruolo nella filiera produttiva dell’auto elettrica.

Collegamento tubazioni negli scambiatori di calore

Una domanda che ci viene posta spesso in Tempco riguarda la possibilità o meno di invertire le connessioni e i collegamenti dei fluidi all’interno di uno scambiatore di calore a piastre. A questo ho voluto dedicare il nuovo video tutorial sul nostro canale Tempco Youtube. La risposta nella maggior parte dei casi è affermativa, con alcune eccezioni, per cui è sempre opportuno chiedere prima.

La richiesta riguarda generalmente la possibilità di invertire verso e direzione dei flussi oppure scambiare il circuito primario e secondario tra loro. Gli scambiatori di calore hanno generalmente una struttura simmetrica dei circuiti, ragion per cui è possibile sia invertire la direzione del flusso dei due fluidi, che scorrono nello scambiatore tipicamente in controcorrente, sia l’inversione tra circuito primario e secondario. In entrambi i casi senza grandi cambiamenti nel rendimento complessivo dello scambiatore di calore in termini di trasferimento termico.

Ripeto, è sempre però meglio chiedere, in quanto esistono casi in cui i due circuiti non sono simmetrici, o ad esempio quando ci sono esigenze di drenaggio. E’ questo il caso per esempio del vapore, che deve invece sempre entrare dall’alto dello scambiatore, in modo da poter scaricare la condensa verso il basso per assicurare un completo drenaggio dallo scambiatore. Con il vapore è quindi possibile invertire primario e secondario, ma non la direzione dei flussi.