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.

auto elettrica termoregolazione banchi prova

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.

Vetroresina nelle torri evaporative

Le tecniche costruttive e la scelta dei materiali per la realizzazione di Torri evaporative tiene conto di diversi fattori, tra cui la tipologia di acqua con cui l’impianto lavorerà. Oltre all’acciaio, una scelta frequente è la costruzione in vetroresina, materiale che offre una serie di vantaggi che sono ben illustrati in questo articolo.

torri evaporative

A fronte di un costo superiore, legato fondamentalmente alla necessità di disporre di un parco stampi dedicato, la vetroresina è infatti la scelta preferenziale di molti costruttori di torri evaporative a circuito aperto e chiuso per la realizzazione sia di componenti che di profili strutturali. Il pregio principale della vetroresina è certamente il fatto che, in costante presenza di acqua, il materiale non si ossida, non è esposto a corrosione, importante in caso di acqua chimicamente aggressiva, e non teme le intemperie, esente pertanto alla manutenzione. La vetroresina offre inoltre un peso inferiore in confronto all’acciaio e all’impiego di pannelli di lamiera presso-piegati, e se necessario può essere riparata a nuovo con facilità.

La tecnica produttiva del materiale a stampo avviene per stratificazione successiva di tessuto di vetro, detto ‘mat’, imbevuto di resina. Una volta catalizzata la resina fa corpo unico con i diversi strati di mat, conferendo consistenza strutturale, ottenendo pezzi robusti e dalla superficie omogenea. Un particolare orientamento delle fibre di vetro può anche essere studiato per consentire al pezzo stampato di sopportare e distribuire meglio carichi statici e dinamici.

torri di raffreddamento

I profili strutturali in vetroresina vengono invece prodotti per pultrusione (estrusione per trazione) mediante trafila, utilizzando un impasto di resina catalizzata amalgamato con fibra di vetro a fibra continua, onde garantire la resistenza meccanica e strutturale richiesta alla struttura della torre di raffreddamento.

I pezzi vengono quindi protetti dai raggi UV mediante verniciatura esterna con un apposito gelcoat, mentre all’interno viene impiegato un gelcoat paraffinato per impermeabilizzazione e impedire fenomeni di osmosi.

Cosa è e come funziona una pompa di calore

Personalmente non mi è mai piaciuta la parola pompa di calore, in quanto il termine confonde le idee. La pompa di calore è di fatto un gruppo frigorifero reversibile, ovvero che può funzionare con inversione di ciclo facendo caldo o freddo, come spiego nel nuovo video tutorial sul nostro canale YouTube Tempco. Come tutti sappiamo, un refrigeratore non ‘produce freddo’, letteralmente, ma asporta calore che finisce nel condensatore. Così come avviene nei frigoriferi che tutti abbiamo in casa, la cui parte posteriore è sempre calda.

La pompa di calore funziona in pratica come un frigorifero in estate, sottraendo calore all’ambiente da condizionare tramite uno scambiatore freddo, detto evaporatore, dove evapora il gas frigorigeno ed evaporando assorbe energia, ossia il calore dall’aria, dal liquido o dal fluido da raffreddare, producendo l’effetto percepito di ‘emettere freddo’. Il gas porta quindi il calore sottratto dall’ambiente allo scambiatore caldo, detto condensatore, disperdendo energia verso l’esterno ed emettendo pertanto caldo.

Una valvola di inversione di ciclo provvede in inverno a invertire la funzionalità dei due scambiatori, ossia il condensatore diventa un evaporatore e sottrae calore dall’ambiente esterno, incanalandolo all’ex evaporatore che diventa condensatore, e che veicola il calore all’interno dell’ambiente da riscaldare.

Ovviamente, in inverno essendo l’ambiente esterno molto freddo e magari umido, l’evaporatore esterno tende a ghiacciarsi, quindi ogni tanto avviene un ciclo di sbrinamento (si inverte il ciclo per qualche minuto) e si fa passare il gas caldo nello scambiatore esterno per sciogliere il ghiaccio che dovesse essersi formato, ripristinando l’efficienza e facendo poi ripartire il tutto in funzione invernale. Tutto questo avviene in automatico.
Durante il ciclo di sbrinamento nell’ambiente interno non si avrà il riscaldamento, ma si tratta di una fase che solitamente dura solo qualche minuto.

iTempco, ecco la piattaforma IoT per la termoregolazione di Tempco

Tempco fa il suo ingresso nell’era di Industry 4.0 con la piattaforma IoT iTempco per il monitoraggio degli impianti di termoregolazione industriale. Connettività, big data e analytics oggi aprono infatti una nuova era anche nella gestione dell’energia termica, consentendo di raggiungere nuovi livelli di ottimizzazione degli asset e di efficienza energetica grazie al monitoraggio in tempo reale dei dati di stato dei macchinari e di processo.

La piattaforma IoT iTempco offre una varietà di tool per il monitoraggio delle proprie apparecchiature da remoto, con  funzionalità avanzate di manutenzione predittiva, service, assistenza e gestione  di macchine, strumentazione e impianti.

IoT termoregolazione 4.0 iTempco

Al cliente viene fornito il dispositivo di interfaccia hardware pre installato sull’apparecchiatura Tempco, che abilita la connettività dell’impianto. Il dispositivo provvede quindi alla raccolta dei dati che andranno ad alimentare la dashboard di iTempco per il monitoraggio e il rilevamento di anomalie e consentire la modifica da remoto dei parametri di configurazione di centraline di termoregolazione e macchine termiche.

E’ così possibile non solo massimizzare l’efficienza della produzione ottimizzando i costi, ma anche aumentare la disponibilità degli impianti grazie alla rilevazione tempestiva di anomalie e a piani di manutenzione predittiva pianificati sui dati reali di funzionamento degli impianti.

Chiamiamola Smart Thermoregulation… siete pronti a entrare con noi nel mondo della Termoregolazione 4.0 di iTempco?

Acqua che bolle in pentola e pitting negli scambiatori

Partendo da una domanda dal sapore ‘culinario’, cogliamo lo spunto per parlare di pitting negli scambiatori a piastre, effetto noto anche come vaiolatura. E’ infatti davvero molto illuminante la risposta che viene data a questo link al quesito se in una pentola per cucinare la pasta sia meglio aggiungere il sale all’acqua quando bolle o prima. La pratica corretta è aggiungere il sale a bollore in corso, in quanto le bolle che salgono impediscono al sale di depositarsi sul fondo, dove a contatto con il metallo della pentola assorbe il calore più rapidamente dell’acqua, in quanto grani solidi, creando un’area di contatto tra sale, acqua e metallo molto corrosiva per la pentola.

pitting da cloruri acciaio inossidabile

Il pitting è il risultato, ovvero piccole intaccature che con il tempo deteriorano la superficie del metallo scavando dei piccoli buchi. L’esempio del sale grosso nell’acqua in cucina rende bene l’idea di come avviene il pitting da cloruri con qualcosa che tutti conosciamo per pratica quotidiana. Lo stesso fenomeno lo osserviamo sulle piastre degli scambiatori di calore, quando in presenza di concentrazioni localizzate di elementi corrosivi (cloruri o altro) avviene la perforazione delle piastre.

pitting scambiatori di calore a piastre

Facciamo un esempio con impianti di ossidazione anodica.
Il fluido coinvolto in questo caso è acido solforico in percentuali tali che l’acciaio inox AISI 316 è più che sufficiente per resistere chimicamente all’aggressione. Nella zona dei bocchelli accade però che ad impianto fermo ci sia un ristagno di prodotto, con effetto di concentrazione dell’acido, che a lungo (o medio) termine provoca il tipico pitting e quindi la perforazione per corrosione delle piastre.

Per tale motivo in applicazioni come questa e analoghe è preferibile selezionare un materiale più resistente, come l’AVESTA 254 SMO, un tipo di acciaio inossidabile austenitico ad alto contenuto di molibdeno che offre nello specifico una elevata resistenza a corrosione e pitting.

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.