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.

Nella 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

Raffreddamento a immersione… alla Marina di Loano

Pompe di calore, scambiatori TCOIL a immersione e raffreddamento in profondità sfruttando la temperatura dell’acqua di mare. O dell’acqua di lago.
Abbiamo parlato negli scorsi mesi delle applicazioni per raffreddamento di pompe di calore che sfruttano le basse temperature dell’acqua di mare o di lago disponibile per dissipare il calore dell’acqua di servizio nelle pompe.

scambiatori dimple jacket porto Loano

L’applicazione è resa possibile dall’impiego di speciali scambiatori di calore a immersione, che lavorano direttamente a contatto con l’acqua marina, come è nella fattispecie del caso che abbiamo installato lo scorso luglio in un porto della Liguria. A stagione estiva terminata, abbiamo ricevuto un feedback entusiasta dal cliente, che è nello specifico il porto della Marina di Loano.

scambiatori immersione Marina di Loano

La sostituzione di scambiatori di calore tradizionali con i nuovi scambiatori dimple jacket a immersione ha infatti non solo risolto i problemi di intasamento cui andava soggetto il vecchio sistema di raffreddamento, ma come ci comunica il cliente ha consentito di conseguire un risparmio energetico pari a circa 40 euro al giorno grazie all’implementazione della nuova tipologia di scambiatori a immersione. Davvero una grande soddisfazione per entrambe le parti!

scambiatori immersione pompe di calore Loano

Come funziona una pompa centrifuga?

Riprendiamo la serie dei nostri tutorial Tempco con un video dedicato alla movimentazione di liquidi, che sia acqua, olio o altri tipi di fluido. Nello specifico parliamo di come funzionano le pompe centrifughe.

La pompa centrifuga è un tipo di pompa rotativa che può essere direttamente accoppiata a un motore elettrico o tramite un giunto. Quello che più mi interessa trattare è il funzionamento delle pompe centrifughe, dal momento che spesso i clienti ci chiedono come deve funzionare una pompa per essere ‘in curva’, ovvero funzionare correttamente.
Guardando una curva di funzionamento tipica, portata e pressione massima e minima (prevalenza) che la pompa può fornire variano in maniera inversamente proporzionale: a massima portata corrisponde la minima pressione, viceversa alla massima pressione corrisponde la minima portata.

pompa centrifuga pressione portata

Avremo quindi una pressione massima a bocca completamente chiusa della pompa in mandata. Spesso i clienti ci chiamano perché la pompa fa molto sforzo mentre spinge l’acqua a una pressione molto elevata.
Occorre a questo punto dare uno sguardo alla curva di assorbimento elettrico della pompa, valore che è esattamente inverso al valore della pressione generata dalla pompa.

rendimento pompa centrifuga

Quindi, alla massima pressione corrisponde il minimo assorbimento elettrico, che è invece massimo quando la pressione è minima.
La ragione di questo è insita nel funzionamento di una pompa centrifuga, che quando la pressione è minima sta spostando la massima portata d’acqua, la massima quantità di liquido, per cui il motore elettrico fa più fatica e assorbe più energia.

Per rendere l’idea, è come se noi dovessimo trasportare un grosso peso per uno spazio molto breve, ma quel peso ingente ci richiede un grande sforzo.

Ne consegue che se non viene limitato questo decremento di pressione, e lasciamo lavorare la pompa a bocca libera, la pompa andrà addirittura a lavorare fuori curva e otterremo l’intervento termico a protezione del motore della pompa.
Infatti la pompa centrifuga ha una limitazione verso l’alto, in quanto non può spingersi oltre una certa pressione massima, ma verso il basso può trasportare una portata d’acqua molto superiore a quella per cui è stato disegnato il motore elettrico, portando a una sollecitazione fuori curva del motore stesso, da cui l’intervento della protezione termica affinché il motore non bruci.

Per ovviare all’evenienza, solitamente sui nostri impianti poniamo una saracinesca in mandata che chiudendosi fa aumentare la pressione tornando a far lavorare la pompa in curva, con la corretta portata di acqua e di progetto, affinché il motore non vada ad assorbire elettricità in eccesso.

Misurare l’efficienza dei data center con la PUE

Al progressivo aumentare della quantità di dati raccolti con IoT e sensori, e della concomitante potenza di calcolo richiesta per l’elaborazione con tecniche di AI e machine learning, il tema del consumo energetico dei data center si fa sempre più…scottante.

Scottante è una parola quanto mai appropriata, date le ingenti quantità di calore prodotte da server e apparecchiature IT. Le applicazioni di raffreddamento dei data center sono pertanto al centro dell’attenzione, ed esistono oggi dei criteri per calcolare l’efficienza energetica di un data center. Questo interessante articolo pubblicato da Matteo Mezzanotte di Submer spiega nello specifico in cosa consiste il PUE, Power Usage Effectiveness, di un data center, introdotto dal consorzio Green Grid che lavora per incrementare l’efficienza energetica dei data center al fine di ridurne l’impatto ambientale.

data center cooling

Il PUE è il rapporto tra la quantità totale di energia assorbita da un data center, compresa quella per i sistemi ausiliari quali condizionamento, illuminazione, perdite energetiche degli UPS (PT), e l’energia di fatto utilizzata dalle apparecchiature IT (PIT). Green Grid ha quindi definito anche l’inverso di questa misura, che è il DCIE, Data center infrastructure efficiency, calcolato come rapporto tra l’energia assorbita dagli equipaggiamenti IT e l’energia complessiva consumata dal data center.

Il valore PUE ideale di un data center dovrebbe quindi essere pari a 1, con la totalità dell’energia assorbita dagli apparati IT. Secondo le valutazioni effettuate dal consorzio Green Grid, la media PUE dei data center nel mondo è di circa 1,8, il che significa che i sistemi ausiliari assorbono circa il 45% della potenza complessiva consumata da un data center.

PUE data center energy efficiency

Submer ha creato anche uno SmartPUE, un pratico strumento per valutare l’efficienza di un data center mediante il calcolo del suo attuale PUE. Riprendiamo a tale proposito il suggerimento che Submer avanza di introdurre tra i criteri di calcolo del PUE anche l’adozione di sistemi di recupero di calore, così come di focalizzarsi sui vantaggi offerti da sistemi raffreddamento a immersione in fluidi dielettrici per la termoregolazione dei server. I sistemi di raffreddamento a liquido, come quelli realizzati da Tempco tramite scambiatori a immersione TCOIL, comportano infatti numerosi benefici rispetto ai sistemi di raffreddamento ad aria, a partire da consumo energetico molto ridotto, spazi di installazione più contenuti e quindi la possibilità di aumentare la densità di calcolo del data center, incrementando l’indice PUE.

Il ricorso al raffreddamento a immersione dei server comporta inoltre tutta un’altra serie di benefici, che vengono bene esplicati in questo altrettanto interessante articolo pubblicato sul blog Submer. Aggiungiamo che il raffreddamento a immersione consente di impiegare fluidi a temperature meno basse rispetto alle soluzioni che impiegano il raffreddamento ad aria nei data center. E’ un argomento decisamente interessante, cui dedicheremo presto ulteriori approfondimenti.

raffreddamento a immersione data center

Tempco Auguri! Buon Natale e Felice 2020!

E’ stato un anno pieno di sfide e di grandi soddisfazioni per Tempco, un anno che ha aperto a importanti innovazioni che ci portano nel 2020 con tanta voglia di fare sempre di più e di crescere insieme a voi!

E come ogni anno siamo qui a ringraziarvi per il vostro supporto, e ad augurarvi un Caldo e Sereno Natale e uno Splendido Nuovo Anno!

Tempco Natale Auguri 2020
Auguri di Buone Feste da Tempco!

 

Risparmio energetico e IoT, quattro chiacchiere con Tempco part 2

Seconda parte della chiacchierata che Tempco ha fatto con La Termotecnica, riprendiamo il discorso con un tema che nei nostri progetti è tra i driver più importanti, il risparmio energetico.
Per massimizzare l’energy saving nelle applicazioni di riscaldamento, raffreddamento e termoregolazione industriale abbiamo sviluppato una serie di centraline di termoregolazione con modulazione della potenza sui motori elettrici. Laddove possibile cerchiamo sempre di utilizzare ventilatori e pompe con motori EC, dotati di inverter per modulare pressione e portata in funzione delle reali richieste del processo.

Abbiamo inoltre sviluppato una serie di centraline di termoregolazione con riscaldamento elettrico che implementano dei sistemi di variazione della potenza in continuo, per erogare al cliente la potenza effettiva che gli serve nel momento esatto in cui gli serve, in modalità just-in-time.

I sistemi di raffreddamento in free cooling sono un’altra tecnologia che sviluppiamo da anni per il risparmio energetico. Una novità è invece il progetto iTempco: nato a gennaio del 2019, iTempco è un progetto di monitoraggio delle condizioni operative delle nostre centraline cui pensavamo da parecchio tempo. Il sistema consente di verificare da remoto in cloud sia il funzionamento che le prestazioni delle macchine termiche, per poter implementare servizi di manutenzione predittiva dei sistemi. Il sistema ci consente inoltre di capire come stanno funzionando le nostre macchine, e come sono dimensionate in funzione delle esigenze del cliente, dandoci un feedback loop tecnico per apportare miglioramenti e ottimizzare la progettazione delle nostre macchine, in modalità data-driven.

Infine, il Tempcoblog da cui anche oggi scriviamo è qualcosa che sviluppiamo da 15 anni per avere una finestra di contatto diretto con i nostri clienti, attuali e potenziali, dove dare aggiornamenti sulle soluzioni e applicazioni che sviluppiamo per la risoluzione di problematiche di scambio termico e recupero energetico. E quale occasione migliore per ringraziare tutti gli utenti che in questi anni ci hanno seguito e che continuano a seguirci con tanto interesse, un sentito grazie! Anche per il riscontro che stiamo vedendo per la serie di video che da quest’anno stiamo pubblicando sul nostro canale YouTube Tempco.

Per il futuro di Tempco, abbiamo le idee chiare: vogliamo continuare a crescere, per dare un supporto sempre migliore ai nostri clienti nelle loro applicazioni di risparmio energetico e di regolazione della temperatura. Le persone che lavorano in Tempco compongono un team molto preparato e affiatato, che ci permette di reagire in maniera molto rapida alle richieste del mercato. In Tempco amiamo le sfide, perché per noi questo più che un lavoro, è davvero una passione!

Quattro chiacchiere con Tempco

Qualche settimana fa ho avuto il piacere di scambiare quattro chiacchiere con La Termotecnica, rivista tecnica di riferimento in Italia per l’industria energetica e termotecnica.

Per presentare l’azienda, Tempco è una realtà che supporta le imprese nelle applicazioni di termoregolazione, raffreddamento e riscaldamento nei loro processi produttivi, sfruttando il recupero energetico. I sistemi Tempco oggi hanno molte importanti referenze, e si trovano nell’acceleratore di particelle del CERN di Ginevra, così come nei forni utilizzati per cuocere le scocche delle auto di F1. Le nostre soluzioni servono anche ad esempio a raffreddare i freni carboceramici che rallentano i jet sui ponti delle portaerei, così come a termoregolatore i reattori impiegati nella produzione dei principi attivi di numerosi farmaci.

Lo speciale nella gamma di prodotto che sviluppiamo è una componente determinante, in ossequio a quello che abbiamo chiamato SCF, standard custom flexibility. Partire da prodotti standard ci consente di customizzare le soluzioni sulle esigenze dei clienti, per risolvere al meglio i loro problemi di termoregolazione e regolazione della temperatura con la massima efficienza, flessibilità e nel modo più veloce possibile.

Un posto privilegiato nella nostra offerta tecnologica lo hanno sicuramente gli scambiatori di calore, diciamo che ci piacciono molto! Abbiamo una nostra linea produttiva di scambiatori a piastre, sia di tipo ispezionabile, ovvero con guarnizioni, dove partiamo dal DN32 arrivando fino al DN500, sia di tipo saldobrasato rame e nickel. Abbiamo anche una serie di scambiatori saldobrasati molto particolare, studiati per resistere a pressioni pulsanti o a variazioni di temperature estreme, e scambiatori saldobrasati che resistono a pressioni elevate fino a 100 bar e ad alte temperature fino a 900° C.

Spazio importante hanno però anche le nostre centraline di Termoregolazione TREG, nate come naturale estensione degli scambiatori. I clienti che vedevano la nostra esperienza negli scambiatori a piastre ci chiedevano infatti se potevamo assemblarli anche in sistemi di termoregolazione, e da lì il passo successivo è stato semplice per noi, andando a implementare un sistema di produzione di unità di termoregolazione, soprattutto speciali. Ci siamo quindi spinti oltre, ottenendo la certificazione Atex, per la produzione di centraline di termoregolazione e sistemi skid per ambienti esplosivi.