Mentre l’uso di inverter è abbastanza maturo sul mercato del raffreddamento, ancora poco diffuso ma altrettanto interessante è l’applicazione di relè statici proporzionali modulanti in quello del riscaldamento. Si tratta di un tipo di applicazione che implementiamo nelle centraline di termoregolazione di Tempco. Per riscaldare un fluido, due sono le alternative possibili: o la classica caldaia che produce vapore, olio diatermico o acqua pressurizzata e quindi riscaldata, oppure utilizzare delle resistenze elettriche. Le fonti primarie di energia saranno quindi o carburanti fossili, come il gasolio, o gas naturale, nei bruciatori, oppure elettricità nel caso delle resistenze elettriche.

Esistono già da tempo bruciatori modulanti che vanno a modulare il consumo di combustibile in base al carico termico reale richiesto. Nel caso del riscaldamento elettrico, l’obiettivo diventa quello di modulare la potenza elettrica delle resistenze di riscaldamento. Ciò è possibile usando dei relè statici SCR (silicone controller rectifier) modulanti. In questo caso, utilizzando un sistema di termoregolazione PID, ossia con un controllo a banda proporzionale modulante, possiamo andare a chiedere alle resistenze di erogare solamente l’effettiva potenza richiesta per il carico termico necessario in ogni fase del processo coinvolto, per raggiungere il set-joint di temperatura o per mantenerlo.

Il risparmio energetico che si ottiene è estremamente interessante. Questo perché in genere quando si progettano queste macchine, esse vengono costruire per fornire la massima potenza di riscaldamento richiesta. Ad esempio: devo riscaldare una certa massa di prodotto all’interno di un reattore farmaceutico. Si calcola il carico termico necessario a passare da una temperatura di partenza a quella finale in un determinato lasso di tempo. Aggiungendo quindi qualcosa in quanto si deve anche riscaldare il reattore, oltre a dover considerare le possibili dispersioni. Una volta però che la temperatura di lavoro è stata raggiunta, la potenza richiesta diventa molto inferiore in quanto occorre solo mantenere il livello di temperatura già raggiunto. Certo, sarà necessario continuare a fornire un po’ di energia nel caso il mio prodotto subisca delle reazioni chimiche e necessiti di un apporto di energia, se vi sono delle dispersioni, oltre alla coibentazione che pure avrà dispersioni. Ma l’energia aggiuntiva da fornire sarà probabilmente solo 1/10, o un 1/3 o 1/5 di quella complessiva di progetto.

Per modulare questa energia in passato venivano fatte macchine a più stadi, ovvero dotate di diversi stadi di riscaldamento per cui si modulava la potenza delle resistenze mediante dei teleruttori o relè statici ON/OFF. Questi venivano attaccati e staccati dal regolatore PID in base alla richiesta di potenza.

Il tiristore, ovvero il relè statico SCR modulante, consente di adeguare la potenza fornendo quella effettiva che serve per mantenere il livello di temperatura all’interno della banda proporzionale, mantenendo il set-point. Si ottengono così due effetti: il primo è un notevole risparmio energetico. Il secondo, altrettanto importante, si ottiene una regolazione della temperatura estremamente fine e molto più accurata.

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Avendo difatti incrementato la produzione dell’impianto pilota del 50%, l’azienda ci ha chiesto di poter aumentare la potenza con una soluzione che avesse caratteristiche simili, ma di metà potenza della prima.

Si tratta quindi di un impianto che impiega gruppi frigoriferi condensati ad aria, con capacità di raffreddamento a temperature fino a -30° C. Realizzazione completamente in acciaio inox e con speciale coibentazione per bassa temperatura. Sistema automatico per la regolazione della condensazione, onde garantire piena efficienza dell’impianto durante tutto l’anno, scongiurando rischi di fermi macchina indesiderati.

Abbiamo quindi accettato la sfida e completato la richiesta, pur restando entro i limiti imposti dalle attuali normative relative ai gas frigoriferi.

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Per il buon funzionamento di un impianto a olio diatermico è necessario escludere la presenza di bolle d’aria nel circuito dell’olio nell’impianto. In caso contrario, le attrezzature sono esposte al rischio di cavitazione, fenomeno che danneggia le pompe e i componenti del sistema, compromettendo inoltre seriamente l’efficienza di termoregolazione.
In fase di avviamento della centralina è quindi opportuno effettuare cicli di sfiato dell’aria facendo girare a vuoto la pompa di circolazione, aumentando la temperatura fino a 100°C e continuando con cicli a vuoto incrementando la temperatura a step successivi.

Per quanto riguarda coibentazione e perdite, ricordiamo sempre che l’Olio diatermico è infiammabile, e presenta un punto di autoaccensione oltre il quale a contatto con l’aria porta allo sviluppo immediato di incendi. Nella coibentazione di una centralina a olio diatermico è quindi consigliabile evitare l’impiego di isolanti in grado di assorbire eventuali perdite o trafilamenti di olio, lasciando piuttosto che l’olio sia libero di scaricarsi in vasche di raccolta. Nel caso in cui infatti l’olio ad alta temperatura finisca nei pori del materiale isolante, il contatto con l’aria innesca il processo di ossidazione, portando ulteriore calore che si aggiunge a quello dell’olio, con rischio di superare il punto di autoaccensione del fluido diatermico.

In generale, infine, onde ridurre al minimo il rischio di perdite ecco alcuni accorgimenti nella scelta dei componenti. Per piccole e medie portate, e per temperature dell’olio oltre i 200 gradi, è opportuno ricorrere a pompe di circolazione a trascinamento magnetico, senza problemi di tenuta meccanica. Per portate elevate, la scelta cade invece su pompe speciali flussate con tenute meccaniche per alte temperature.

Nella scelta degli scambiatori di calore in centraline a olio diatermico, è invece meglio evitare raccordi filettati, esposti al rischio certo di perdite di olio a causa delle dilatazioni termiche nell’impianto. Meglio ricorrere eslcusivamente a saldature o flangiature, con guarnizioni in grafite rinforzata o spirometalliche.

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Servono quindi particolari attenzioni costruttive e di progettazione affinché l’olio non sia esposto al rischio di cracking. L’installazione di una pompa di circolazione è necessaria per assicurare lo scambio termico tra i terminali, e per tenere controllata la trasmissione del calore nei generatori. La temperatura del film d’olio a diretto contatto con le pareti calde di trasferimento deve infatti essere mantenuta al di sotto della soglia limite di stabilità chimica, e in particolare non deve superare di oltre 25-30°C quella media dell’olio in uscita dalla caldaia, e deve essere più bassa di 30-40°C rispetto a quella di cracking del tipo di fluido diatermico usato.

La velocità di circolazione è un altro fattore da curare, non deve infatti essere troppo bassa per non incorrere in surriscaldamenti locali, che pure portano a decomposizione termica dell’olio dei processi di cracking o piroscissione. Anche in caso di arresto dell’impianto, per lo stesso motivo la circolazione dell’olio non deve essere fermata, altrimenti si va velocemente incontro al surriscaldamento del fluido. L’olio diatermico in caso di arresto dell’impianto deve essere mantenuto in circolazione al suo interno, almeno per il tempo necessario a far scendere la temperatura dell’olio al di sotto di 200°C.

Qualora in fase progettuale e di dimensionamento non si prendano i dovuti accorgimenti per ridurre al minimo il rischio di cracking, il formarsi di depositi carboniosi e il loro depositarsi sulle pareti interne dell’impianto hanno due conseguenze negative: riduzione del volume interno disponibile per il flusso e abbassamento della conducibilità e dell’efficienza di trasferimento termico. In aggiunta, aumentano in proporzione i rischi di surriscaldamento locale, accelerando il processo di decadimento dell’olio stesso.

In tema di surriscaldamento dell’olio, riportiamo infine uno stralcio dal nostro Manuale Tempco sull’Energia termica sulla scelta delle resistenze elettriche:

“A condizioni di alta temperatura, poco incide a livelli di costo e selezione dei componenti la voce resistenze elettriche, ma è importante che queste abbiano carichi specifici bassi per non deteriorare l’olio diatermico, ed è opportuna la presenza di un tronchetto inerte, per non trasmettere calore alla scatola delle connessioni elettriche. Indispensabile anche un termostato di sicurezza di alta temperatura”.

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Studiata l’applicazione del cliente in tutte le sue caratteristiche di processo, abbiamo valutato insieme due possibili alternative:

• Sistema di raffreddamento ad azoto
• Sistema classico con gruppi frigoriferi a compressione

La semplicità di gestione e il vantaggio tecnico offerto ci hanno portato a optare d’accordo con il cliente per la soluzione con chiller. Il sistema realizzato impiega nello specifico due chiller condensati ad aria che lavorano in parallelo, ciascuno dei quali assolve al 75% della duty termica totale richiesta.
La capacità di raffreddamento spinta raggiunge temperature fino a -30°C, e la soluzione include un sistema di regolazione automatica della condensazione, che garantisce massima efficienza del sistema in tutte le stagioni, esigenza cruciale dal momento che l’impianto è in funzione per tutto l’anno.

La realizzazione è stata fatta completamente in acciaio inox, con speciale coibentazione per bassa temperatura. All’interno del building del cliente è stato quindi realizzato uno skid per accumulo e distribuzione della soluzione incongelabile al reattore, fornito di

• Serbatoi di accumulo
• Pompe ridondanti
• Sistema di controllo e gestione centralizzato

Il monitoraggio da remoto da una sala di controllo consente infine di gestire e pilotare i gruppi frigoriferi e le pompe, con possibilità di gestione di allarmi in caso di malfunzionamento per garantire piena continuità operativa e scongiurare costosi fermi di produzione.

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E’ meglio evitare il ricorso a isolanti capaci di assorbire eventuali perdite e trafilamenti di olio, che è invece opportuno siano liberi di scaricarsi in vasche di raccolta. Meglio piuttosto fare a meno dell’isolamento nelle zone a rischio: qualora l’olio ad alta temperatura finisca nei pori del materiale isolante, si innesca infatti il processo di ossidazione, che aggiungendo calore a quello già presente nell’isolamento contribuisce ad aumentare la temperatura dell’olio, con rischio che superi il punto di autoaccensione dell’olio diatermico, con sviluppo immediato di incendi. Il punto di flash e di fiamma di un olio diatermico sono rispettivamente i valori di temperatura ai quali i vapori prodotti da un olio si incendiano o producono una fiamma continua a contatto con una fonte di accensione (fiamma di gas o arco elettrico). Il punto di autoaccensione è quel valore al quale un fluido di scambio termico si incendia spontaneamente a contatto con l’aria, senza altre fonti di accensione.

Il vaso di espansione in centraline a vaso aperto deve essere inoltre posto a debita distanza dalle tubazioni di utilizzo (o in alternativa è bene che il tubo di collegamento sia opportunamente raffreddato), affinché l’olio nel vaso sia a temperature inferiori a 65/70° C, evitando fenomeni di ossidazione a contatto con l’aria e cracking dell’olio, con perdita delle sue caratteristiche e possibile intasamento degli impianti.

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