Una delle applicazioni più frequenti per gli scambiatori ad alta pressione è il raffreddamento di gas nei compressori, come nel caso mostrato nella foto: un sistema di compressione ad alta pressione per gas tecnici, dove gli scambiatori sono impiegati per la dissipazione del calore generato durante la compressione.
 In questi impianti la robustezza e la tenuta meccanica sono fondamentali per assicurare sicurezza, continuità di servizio e durata nel tempo.

Ecco quindi alcuni dei vantaggi principali offerti da questa speciale tipologia di scambiatori saldobrasati per alta pressione:
• Design compatto e installazione semplificata
• Elevata resistenza meccanica, fino a 140 bar
• Nessuna manutenzione ordinaria grazie all’assenza di guarnizioni
• Efficienza di scambio termico elevata anche con portate ridotte
• Disponibilità di versioni personalizzate per gas, oli o fluidi di processo specifici

Le versioni ad alta pressione degli scambiatori saldobrasati trovano impiego anche in impianti di recupero termico, circuiti idraulici con CO₂, sistemi HVAC per refrigeranti transcritici e nel settore dell’idrogeno, dove le condizioni operative richiedono apparecchi di assoluta affidabilità.

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Vantaggi critici dei PCHE:
1. Alta efficienza termica:
◦ Canali microstrutturati che massimizzano lo scambio termico.
◦ Riduzione delle perdite di energia.
2. Compattezza:
◦ Design estremamente compatto, ideale per impianti con spazio limitato.
3. Resistenza a condizioni estreme:
◦ Progettati per gestire alte pressioni e temperature, caratteristica che li rende perfetti per applicazioni con idrogeno e altri gas tecnici.
4. Versatilità:
◦ Possibilità di integrare più flussi termici in un unico dispositivo, riducendo il numero di apparecchiature necessarie.

Struttura a microcanali delle piastre negli scambiatori PCHE

Svantaggi:
• Costo iniziale elevato:
◦ I PCHE richiedono un investimento iniziale più alto rispetto alle soluzioni tradizionali.
• Fluidi puliti o filtrati:
◦ La pulizia dei canali microstrutturati può richiedere tecniche specifiche, quindi è preferibile avere fluidi filtrati o comunque puliti

Perché quindi scegliere i PCHE? Nonostante gli svantaggi, gli scambiatori PCHE rappresentano una scelta strategica per applicazioni critiche dove efficienza, compattezza e resistenza sono fondamentali. In particolare, nel settore dell’idrogeno, i PCHE offrono un vantaggio competitivo in termini di prestazioni e sostenibilità, diventando una tecnologia chiave per la transizione energetica.

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A cosa servono i compressori multistadio? Questi compressori sono utilizzati in numerosi settori industriali:

• Produzione di energia: per applicazioni legate all’idrogeno e alle turbine a gas.
• Industria chimica: per il trasporto e la lavorazione di gas tecnici.
• Settore automotive: nelle stazioni di rifornimento di idrogeno per veicoli fuel-cell.
• Oil & Gas: per la compressione di gas naturali o di processo.

Perché è necessario il raffreddamento interstadio?
Durante ogni fase di compressione, il gas si riscalda in modo significativo. Un sistema di raffreddamento interstadio è indispensabile per:

• Ridurre il lavoro necessario nella fase successiva.
• Proteggere i componenti dalla temperatura elevata.
• Mantenere la sicurezza e l’efficienza operativa.

Strettamente legato ai compressori multistadio è quindi il raffreddamento interstadio dei gas tecnici trattati, possibile grazie all’impiego di soluzioni multi-stream, applicazione ideale per gli scambiatori PCHE. Due agromenti che meritano di essere trattati più diffusamente in una serie di prossimi articoli.

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Siamo tutti coinvolti nei problemi legati alla mobilità, e una delle possibili soluzioni per il prossimo futuro sostenibile riguarda le automobili o comunque i trasporti e i veicoli che utilizzano l’idrogeno come fonte di energia per il powertrain. Idrogeno come fonte diretta di energia per motori a combustione interna o come fonte indiretta di energia per alimentare motori elettrici in veicoli elettrici a batteria e soluzioni di mobilità elettrica.

Parliamo infatti soprattutto delle colonnine di distribuzione dell’idrogeno, per il rifornimento di auto e veicoli alimentati a idrogeno, che utilizzano dunque motori alimentati a idrogeno. In particolare, questi sistemi di distribuzione richiedono la presenza di scambiatori di calore per abbassare la temperatura dell’idrogeno durante le operazioni di rifornimento per questo tipo di veicoli, automobili, autobus, camion o quant’altro. Scambiatori che sono quindi utilizzati per abbattere la temperatura dell’idrogeno e immagazzinarne grandi volumi ad alta pressione, con l’obiettivo di ridurre i tempi necessari per il rifornimento e di poter stoccare l’idrogeno a livelli di pressione adeguati.

Gli scambiatori PCHE, grazie alle loro peculiari caratteristiche, consistenti nell’essere interamente realizzati in acciaio inox, completamente saldati, e quindi costruiti in materiale compatibile, appunto full-inox, sono la soluzione ideale per il raffreddamento dell’idrogeno.

Lo abbiamo già visto in altri video focalizzati sugli scambiatori PCHE impiegati nei compressori multistadio per idrogeno e gas tecnici. In questo caso viene utilizzato uno scambiatore monostadio per il raffreddamento diretto dell’idrogeno ma con pressioni di esercizio molto elevate.

L’applicazione è molto intrigante. Se siete interessati, venite a trovarci a Piacenza in Hydrogen Expo, PAD. 1 Stand B118, oppure contattateci.

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Le pompe di calore sono dispositivi in grado di fornire riscaldamento e condizionamento oltreché produrre acqua calda ad uso residenziale o per applicazioni nell’industria di processo. Il documento (dati 2015 ma forniscono ancora una valida idea) stima che in Europa il 50,3% della domanda energetica è relativa ad applicazioni di riscaldamento e raffreddamento. In particolare, la domanda energetica per riscaldamento di ambienti e nell’industria di processo ammonta all’85% della richiesta totale. Domanda che viene in maggior parte soddisfatta con combustibili fossili, gas in primo luogo.

Alla base del funzionamento di una pompa di calore vi è un ciclo termodinamico alimentato da energia elettrica che consente di ottenere al contempo riscaldamento e raffreddamento. La maggior parte delle tecnologie di pompa di calore impiega un ciclo di compressione di un gas. Laddove l’energia elettrica per consentire il funzionamento della pompa di calore proviene da fonti rinnovabili, la tecnologia della pompa di calore diventa quindi completamente green e al 100% sostenibile. Sostenibilità che potrebbe quindi essere spinta ulteriormente grazie alla sostituzione dei gas refrigeranti tradizionali, ad alto tasso GWP e inquinanti, con nuovi gas privi di effetto serra, al primo posto la CO2 (R744) che già viene impiegata negli innovativi sistemi di refrigerazione a CO2.

Le basi del ciclo di compressione e refrigerazione in una pompa di calore dovrebbero esserci già note, ma le rivediamo sinteticamente. Questo è composto da un evaporatore, ossia uno scambiatore di calore da liquido a gas, da un compressore, da un condensatore, ossia uno scambiatore da gas a liquido, da una valvola di espansione e da un fluido di scambio termico.

Una pompa di calore, per il suo ottenere l’effetto di condizionamento o per riscaldare, può quindi sfruttare energia rinnovabile, proveniente dall’aria, dall’acqua o dal terreno (geotermia), come spiegato in dettaglio nel documento (pagg 21-22), realizzando applicazioni come quelle sviluppate da Tempco per la Marina di Loano o con scambiatori a immersione nelle acque del Lago di Como.

Il white paper fa quindi una interessante la stima del bilancio energetico offerto dalle pompe di calore, per cui a fronte di una unità di energia elettrica necessaria al funzionamento del ciclo di compressione del gas, e 2-4 unità di energia rinnovabile proveniente dall’ambiente o come energia di scarto recuperata, si ottengono dalle 3 alle 5 unità di energia in riscaldamento e dalle 2 alle 4 unità per il raffreddamento. Con lo sviluppo della tecnologia delle pompe di calore, il livello di efficienza delle stesse è inoltre in continuo aumento. Si stima quindi che una pompa di calore possa fornire riscaldamento a una temperatura compresa tra 30 e 55° C, e acqua calda tra 55 e 65° C. Quest’ultima può anche arrivare fino a 90° C aumentando l’efficienza con pompe di calore a CO2, gas green alternativo che oltre al beneficio in termini di sostenibilità incrementa l’efficienza del ciclo termico della pompa di calore. La sfida per il futuro, nelle pompe di calore a CO2 così come per la refrigerazione a CO2, consiste quindi nello sviluppare componenti in grado di lavorare alle alte pressioni e temperature richieste dai cicli termici a CO2.

Suggestiva e interessante infine anche la riflessione su una possibile futura configurazione delle pompe di calore, che grazie alla combinazione con sistemi di accumulo termico e batterie potrebbero contribuire a stabilizzare la domanda di energia nelle smart grid, aumentando la flessibilità e l’affidabilità della rete e al contempo incrementando il livello di indipendenza delle stesse pompe di calore.

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La necessità è relativa all’ottenimento di strutture cristalline stabili e definite, in modo che il prodotto finito consegua le caratteristiche meccaniche e fisiche attese.

Lo sviluppo di queste tecnologie prosegue senza soste e si è notato come anche un corretto e predeterminato livello termico, influisca sull’ottenimento del risultato richiesto.

In conseguenza di ciò, sempre più spesso realizziamo sistemi che prevedono l’impiego di scambiatori a piastre saldobrasati, abbinati a centraline di termoregolazione, per termoregolare il gas che viene iniettato nei forni di produzione metallurgici.

Le caratteristiche richieste alle centraline sono:

• precisione del set point impostato
• rapidità di raggiungimento delle condizioni di lavoro (il gas attraversa lo scambiatore once through)
• costanza del mantenimento delle condizioni di lavoro anche al variare delle portate del gas

Gli scambiatori devono ottemperare alle seguenti necessità:

• resistenza alle pressioni elevate (fino a 100 bar)
• inerzia termica praticamente inesistente
• possibilità di lavorare con ampio range di temperatura ed elevati salti termici

In entrambi i componenti abbiamo raggiunto le specifiche richieste da clienti finali e costruttori di impianti, garantendo le performance richieste.

Il tutto calato in ambienti industriali ed installato a differenti latitudini, che ci impegnano in un costante e continuo affinamento e verifica dei componenti per poterli adeguare alle condizioni di lavoro effettive.

Lo scambiatore pur essendo una componente passiva del sistema, è il punto cruciale del funzionamento del sistema. L’impiego di scambiatori a piastre realizzati per alte pressioni consente di ottenere i risultati richiesti.

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Sono moltissime le applicazioni dove vengono impiegati gas tecnici, allo scopo di mantenere o ottenere risultati specifici. Nel settore alimentare ad esempio si utilizzano gas inerti nel confezionamento per mantenere i prodotti inalterati, l’industria metallurgica vede moltissime applicazioni, dai trattamenti termici alle saldature, gli impianti produttivi farmaceutici e chimici prevedono flussaggi con azoto piuttosto che polmonazioni, allo scopo di mantenere costanti i risultati produttivi.

Molti di questi ambiti hanno delle implicazioni che necessitano la termoregolazione del gas che viene utilizzato.

La linea di scambiatori a piastre saldobrasati serie C è stata progettata per questo tipo di applicazioni, dove c’è la necessità di raffreddare o riscaldare un gas anche a pressioni molto elevate (100, 140 bar).

L’abbinamento di questa serie di scambiatori con le centraline di termoregolazione della serie T-REG, consente di ottenere i risultati richiesti, con una tolleranza di temperatura di +/- 0,5°C (*).

La flessibilità e velocità di risposta tipica degli scambiatori a piastre, consente di mantenere elevati livelli di precisione anche in cicli once-through, abbinandoli con sistemi di termoregolazione avanzati, asserviti da strumenti dotati di PID, sistemi di riscaldamento con SCR e sezioni di raffreddamento con valvole modulanti.

(*) valore da verificare in funzione dell’utenza asservita

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