Gli impianti di cogenerazione comportano diverse applicazioni degli scambiatori di calore, il cui impiego consente di incrementare ulteriormente l’efficienza del processo. Si parte dal pre-trattamento del biogas, operazione volta a eliminare le impurità e l’umidità presenti nel biocombustibile per preservare il motore, fino al recupero di calore dai fumi di scarico del motore stesso mediante scambiatori a fascio tubiero, massimizzando la quantità di energia termica che il sistema può generare.

In questo caso, gli scambiatori Tempco lavorano sia sui jacket, con uno scambiatore saldobrasato, sia sul recupero fumi, con uno scambiatore a fascio tubiero.

Dopo 11 anni di lavoro, il cliente ci ha quindi chiamato per richiedere delle guarnizioni di ricambio sulle flange, che nel tempo si sono usurate. All’epoca dell’installazione, Tempco aveva fornito gli scambiatori, mentre per le guarnizioni il cliente si era affidato a un altro fornitore, anche se a onor del vero si tratta comunque di materiale soggetto a usura e che pertanto necessita di manutenzione.

Nel complesso, possiamo insomma dirci molto soddisfatti dell’applicazione realizzata per questo cliente.

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Il biogas è un prezioso alleato nella transizione energetica, e Tempco è molto attiva in questo comparto con un gran numero di referenze e impianti realizzati per contribuire allo sviluppo efficiente del settore del biogas in ottica green e di sostenibilità. Il biogas è difatti una fonte di energia rinnovabile, ottenuto dalla decomposizione anaerobica di biomasse, come rifiuti agricoli e alimentari, scarti industriali e reflui zootecnici. Il biogas rappresenta quindi un’importante fonte alternativa per la produzione di energia, che consente il recupero e la valorizzazione di materiali di scarto in ottica di economia circolare e al contempo la riduzione dei gas serra.

Come fonte di energia rinnovabile e green, il biogas può quindi essere utilizzato per generare elettricità, produrre calore o alimentare veicoli, riducendo la dipendenza dai combustibili fossili e contribuendo alla sicurezza energetica.

Nell’articolo sono descritte maggiormente in dettaglio alcune applicazioni pratiche di impianti e soluzioni per il trattamento del biogas realizzate da Tempco. In sostanza, il trattamento del biogas consiste nella deumidificazione del biogas stesso, passaggio essenziale per ridurre l’umidità presente nel gas e migliorarne la qualità affinché possa essere utilizzato in motori endotermici e nella produzione di energia. La tecnologia principalmente impiegata è quella della refrigerazione a compressione, tra le più diffuse ed efficaci allo scopo.

Il processo coinvolge diversi componenti chiave:

– Compressore: il biogas grezzo viene compresso per aumentarne la pressione e ridurre il volume.
– Scambiatore di raffreddamento e deumidificazione: il gas compresso viene raffreddato, causando la condensazione dell’umidità.
– Separatore di condensa: l’acqua condensata viene quindi separata dal gas deumidificato.

Infine, il biogas deumidificato può essere ulteriormente trattato per rimuovere impurità solide o liquide residue.

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Anche nel 2023 abbiamo difatti avviato un discreto numero di impianti per biogas, tutti completi di chiller, scambiatore di calore e separatore di condensa.

Tutti gli impianti sono sempre in configurazione completa e vengono consegnati pronti per l’installazione. Di particolare interesse sono quindi le ultime applicazioni in ambito delle cartiere, con lo scopo di abbattere le emissioni inquinanti. Le cartiere presentano infatti un alto potenziale per la produzione di biogas e biometano, in quanto il ciclo produttivo di una cartiera genera una grande quantità di acque reflue ricche di COD (chemical oxygen demand) biodegradabili, che si prestano a essere trattati e valorizzati per produrre biogas.

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Esistono moltissime tipologie di scambiatori di calore a fascio tubiero, a tubi dritti scovolabili, a chioma, ovvero a fascio tubiero a U estraibile, possono essere multi passaggio o mono passaggio, a teste flottanti.

Le varie tipologie presentano ognuna vantaggi e limiti propri. Quelli che più impieghiamo sono della tipologia a tubi dritti scovolabili: in questi scambiatori le due testate possono essere smontate mettendo in mostra i tubi dritti in cui passa il fluido, che vanno da una testata all’altra. Essendo appunto dritti possono essere puliti uno per uno per mezzo di uno scovolino, asportando lo sporco accumulato. Il diametro dei tubi varia in funzione del tipo di fluido che vi scorre all’interno, del tipo di processo e di scambio termico. Solitamente si tratta di scambiatori saldati e il fascio tubiero non può essere estratto. Per cui nel mantello viene fatto passare il fluido pulito.

Questo tipo di scambiatori viene impiegato generalmente nella cogenerazione, in applicazione per il recupero di calore dai fumi esausti sui motori. I fumi passano nei tubi che vengono poi puliti. Un altro impiego è nel settore del biogas per la deumidificazione del biogas stesso. Il biogas passa nei tubi, all’esterno nel mantello c’è l’acqua glicolata pulita.

Sono altresì utilizzati per la produzione di acqua calda mediante vapore. L’acqua passa all’interno dei tubi e nel mantello passa il vapore, riscaldando l’acqua che esce a temperatura superiore.

I limiti degli scambiatori a fascio tubiero scovolabili sono legati alla loro lunghezza, per cui se serve uno schema termico lungo con salti termici molto lunghi dovrò mettere più scambiatori in serie. Il passaggio in serie è implementabile, ma richiede una costruzione molto più complessa delle testate.

L’altra classica tipologia è quella degli scambiatori a chioma, o a fascio tubiero a U estraibile. Abbiamo qui un fascio tubiero formato da tanti tubi piegati a forma di U, saldati su una sola testata. In questo caso la parte che può esser pulita è il mantello, quindi quella esterna, in quanto il fascio tubiero può essere estratto. Non è invece possibile pulire i tubi, in quanto la curva non può essere pulita con uno scovolino.

Il fluido sporco viene fatto passare normalmente dalla parte del mantello, anche se quando il numero dei tubi è elevato e sono fittamente ammassati, le operazioni di pulizia diventano davvero molto complicate.

Questo tipo di scambiatore permette invece di sfruttare meglio la lunghezza termica, in quanto la lunghezza termica delle tubazioni piegate a U risulta doppia rispetto alla lunghezza complessiva dello scambiatore.

A livello costruttivo, negli scambiatori di calore a fascio tubiero possono essere impiegati un po’ tutti i materiali, dall’acciaio inossidabile al rame al ferro. La scelta dipende dal tipo di fluido fa trattare, dal processo e dalle temperature coinvolte.

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Il biogas è un combustibile naturale, ma per essere impiegato negli impianti di cogenerazione richiede allora uno speciale trattamento che provveda alla sua deumidificazione. Questo viene fatto con speciali sistemi composti da chiller e da scambiatori di calore a fascio tubiero, appositamente progettati per il tipo di applicazione, che raffreddano e deumidificano il biogas con una miscela di acqua glicolata molto fredda.

In pratica il biogas proveniente dai digestori entra nel sistema a temperature di circa 35-40° C, e deve essere portato a temperature di circa 4-5° C, per eliminare quanta più umidità possibile contenuta nel gas. Per ottenere questo raffreddamento si impiegano chiller a temperatura molto bassa, vicino al punto di congelamento, ovvero +1° C o +2° C.

All’uscita dello scambiatore si ottiene quindi del biogas con un grado di umidità relativa al 100%, ma con un contenuto assoluto di umidità estremamente basso. Vi sono poi solitamente installati all’uscita dello scambiatore dei separatori di condense, in sostanza delle grosse taniche dove le condense vengono raccolte. Inoltre ancora più a valle del sistema ci sono dei filtri, che provvedono a una ulteriore filtrazione del biogas, pronto quindi a essere immesso all’interno del motore.

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Lo scambiatore TCB3000A unisce molteplici brevetti ed è realizzato con piastre chevron in acciaio inossidabile e lamina di rame a elevata purezza, che consentono di ottenere notevole compattezza riducendo le dimensioni del 50% rispetto a soluzioni analoghe. La soluzione offre alta efficienza di scambio termico ed elevata resistenza alla corrosione.

Il design brevettato dello scambiatore TCB3000A unisce in una sola macchina un pre-cooler dell’aria, un separatore di condensa e un evaporatore, con ridotte perdite di carico e basso punto di rugiada.

Nel circuito di funzionamento dello scambiatore Serie A, il compressore comprime aria calda e umida all’interno del pre-cooler dello scambiatore 3-in-1, dove avviene lo scambio di calore con l’aria fredda trattata. L’aria umida raffreddata entra quindi nell’evaporatore, dove si raffredda ed elimina l’acqua per evaporazione. L’aria passa quindi nel separatore ad alta efficienza, che provvede alla separazione della condensa grazie alla forza centrifuga e alla gravità. L’esclusivo design senza mesh del separatore elimina problemi di formazione di ghiaccio o di intasamenti da olio, senza ricorso a filtri e allungando la vita utile. Infine, l’aria fredda e secca torna al pre-heater per essere riscaldata alla temperatura di lavoro.

L’esclusivo funzionamento 3-in-1 consente di impiegare direttamente l’aria esterna, garantendo un significativo risparmio energetico. La soluzione è infine immune da intasamento e facile da mantenere, ed è dotata di connettori con sistema brevettato di test delle perdite d’aria.

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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.

La 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.

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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.

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Il prodotto TC BN 111U di Tempco è particolarmente efficace e attivo nel trattamento del batterio Legionella Pneumophila, per utilizzo sia come bonifica antilegionella iniziale sia come prevenzione successiva.

E’ possibile utilizzare il prodotto con un dosaggio shock iniziale per eliminare del tutto i batteri presenti, da ripetere ogni 2-3 giorni fino a completo controllo della proliferazione microbiologica. Dosaggi shock successivi sono quindi possibili a scopo preventivo. In alternativa è anche possibile procedere con un dosaggio in continuo nel sistema per prevenzione antilegionella.

Il prodotto può essere additivato manualmente oppure in automatico, utilizzando una pompa dosatrice temporizzata.
La scheda tecnica del prodotto TC BN 111U riporta in dettaglio le modalità e i dosaggi previsti sia per eliminare i batteri esistenti, sia per successiva prevenzione della Legionella.

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Da molti anni Tempco progetta e sviluppa impianti per deumidificazione del biogas, e moltissime sono le installazioni e l’esperienza sia a livello nazionale che mondiale. Nel caso del biogas vengono utilizzati refrigeratori industriali raffreddati ad aria, unità derivare dalla gamma standard progettate e dimensionate per lavorare in ambienti difficili e aggressivi, garantendo massima disponibilità degli impianti dovendo lavorare durante tutto l’anno e 24/7. La presenza del biogas comporta spesso di dover lavorare in ambienti Atex, e per questo l’impianto viene realizzato con protezione anticorrosione sullo scambiatore tubiero di condensazione su cui lavora il chiller. La scelta dei materiali è quindi importante, e spesso viene impiegato l’acciaio inossidabile.

I refrigeratori biogas standard possono raffreddare portate di biogas da 56 a 6.900 m3/h. Le apparecchiature sono progettate per produrre soluzioni incongelabili a temperature prossime agli 0° C, che lavorano su scambiatori a fascio tubiero opportunamente costruiti per il raffreddamento del biogas. Il biogas deve infatti essere portato a una temperatura quanto più vicina a quella della soluzione incongelabile, onde poter eliminare la maggior parte di acqua e umidità contenuta nel biogas prima dell’immissione ai motori di cogenerazione.

Questo tipo di impianti è infine solitamente completato da separatore di condense, che evita che anche minime particelle di umidità vengano aspirate nel circuito motore, e da un’eventuale sezione di recupero termico, che si sposa perfettamente con la filosofia di massima efficienza energetica propria della cogenerazione.

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